化工热力学实验指导书

实验一二氧化碳PVT关系一、实验目的1、了解CO2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。2、增加对课堂所讲的工质热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。3、掌握CO2的p-v-t关系的测定方法，学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。4、学会活塞式压力计，恒温器等热工仪器的正确使用方法。二、实验内容1、测定CO2的p-v-t关系。在p-v坐标系中绘出低于临界温度（t=20℃）、临界温度（t=31.1℃）和高于临界温度（t=50℃）的三条等温曲线，并与标准实验曲线及理论计算值相比较，并分析其差异原因。2、测定CO2在低于临界温度（t=20℃、27℃）饱和温度和饱和压力之间的对应关系，并与图四中的ts-ps曲线比较。3、观测临界状态（1）临界状态附近气液两相模糊的现象。（2）气液整体相变现象。（3）测定CO2的pc、vc、tc等临界参数，并将实验所得的vc值与理想气体状态方程和范德瓦尔方程的理论值相比教，简述其差异原因。三、实验设备及原理整个实验装置由压力台、恒温器和实验台本体及其防护罩等三大部分组成（如图一所示）。1图一试验台系统图图二试验台本体试验台本体如图二所示。其中1—高压容器；2—玻璃杯；3—压力机；4—水银；5—密封填料；6—填料压盖；7—恒温水套；8—承压玻璃杯；9—CO2空间；10—温度计。、对简单可压缩热力系统，当工质处于平衡状态时，其状态参数p、v、t之间有：F(p,v,t)=0或t=f(p,v)（1）本实验就是根据式（1），采用定温方法来测定CO2的p-v-t关系，从而找出CO2的p-v-t关系。实验中，压力台油缸送来的压力由压力油传入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了CO2气体的承压玻璃管容器，CO2被压缩，其压力通过压力台上的活塞杆的进、退来调节。温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。实验工质二氧化碳的压力值，由装在压力台上的压力表读出。温度由插在恒温2水套中的温度计读出。比容首先由承压玻璃管内二氧化碳柱的高度来测量，而后再根据承压玻璃管内径截面不变等条件来换算得出。四、实验步骤1、按图一装好实验设备，并开启实验本体上的日光灯（目的是易于观察）。2、恒温器准备及温度调节：（1）、把水注入恒温器内，至离盖30～50mm。检查并接通电路，启动水泵，使水循环对流。（2）、把温度调节仪波段开关拨向调节，调节温度旋扭设置所要调定的温度，再将温度调节仪波段开关拨向显示。（3）、视水温情况，开、关加热器，当水温未达到要调定的温度时，恒温器指示灯是亮的，当指示灯时亮时灭闪动时，说明温度已达到所需要恒温。（4）、观察温度，其读数的温度点温度设定的温度一致时（或基本一致），则可（近似）认为承压玻璃管内的CO2的温度处于设定的温度。（5）、当所需要改变实验温度时，重复（2）～（4）即可。注：当初使水温高于实验设定温度时，应加冰进行调节。3、加压前的准备：因为压力台的油缸容量比容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器管充油，才能在压力表显示压力读数。压力台抽油、充油的操作过程非常重要，若操作失误，不但加不上压力，还会损坏试验设备。所以，务必认真掌握，其步骤如下：（1）关压力表及其进入本体油路的两个阀门，开启压力台油杯上的进油阀。（2）摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。这时，压力台油缸中抽满了油。（3）先关闭油杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。（4）摇进活塞螺杆，使本体充油。如此交复，直至压力表上有压力读数为止。（5）再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体油路阀门是否开启。若均已调定后，即可进行实验。4、作好实验的原始记录：（1）设备数据记录：仪器、仪表名称、型号、规格、量程、等。（2）常规数据记录：3室温、大气压、实验环境情况等。（3）测定承压玻璃管内CO2质量不便测量，而玻璃管内径或截面积（A）又不易测准，因而实验中采用间接办法来确定CO2的比容，认为CO2的比容与其高度是一种线性关系。具体方法如下：a）已知CO2液体在20℃，9.8MPa时的比容（20℃，9.8Mpa）=0.00117M3·㎏。b）实际测定实验台在20℃，9.8Mpa时的CO2液柱高度Δh0（m）。（注意玻璃管水套上刻度的标记方法）c）∵（20℃，9.8Mpa）=kgmmAh/00117.030∴)/(00117.020mkgKhAm其中：K——即为玻璃管内CO2的质面比常数。所以，任意温度、压力下CO2的比容为：KhAmh/（m3/kg）式中，Δh=h-h0h——任意温度、压力下水银柱高度。h0——承压玻璃管内径顶端刻度。5、测定低于临界温度t=20℃时的等温线。（1）将恒温器调定在t=20℃，并保持恒温。（2）压力从4.41Mpa开始，当玻璃管内水银柱升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证等温条件。否则，将来不及平衡，使读数不准。（3）按照适当的压力间隔取h值，直至压力p=9.8MPa。（4）注意加压后CO2的变化，特别是注意饱和压力和饱和温度之间的对应关系以及液化、汽化等现象。要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表1。（5）测定t=25℃、27℃时其饱和温度和饱和压力的对应关系。6、测定临界参数，并观察临界现象。（1）按上述方法和步骤测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力pc和临界比容c，并将数据填入表1。（2）观察临界现象。4a）整体相变现象由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合于一点，所以这时汽液的相互转变不是象临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为渐变过程，而这时当压力稍在变化时，汽、液是以突变的形式相互转化。b）汽、液两相模糊不清的现象处于临界点的CO2具有共同参数（p,v,t），因而不能区别此时CO2是气态还是液态。如果说它是气体，那么，这个气体是接近液态的气体；如果说它是液体，那么，这个液体又是接近气态的液体。下面就来用实验证明这个结论。因为这时处于临界温度下，如果按等温线过程进行，使CO2压缩或膨胀，那么，管内是什么也看不到的。现在，我们按绝热过程来进行。首先在压力等于7.64Mpa附近，突然降压CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内CO2出现明显的液面。这就是说，如果这时管内的CO2是气体的话，那么，这种气体离液区很接近，可以说是接近液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩CO2时，这个液面又立即消失了。这就告诉我们，这时CO2液体离气区也是非常接近的，可以说是接近气态的液体。既然，此时的CO2既接近气态，又接近液态，所以能处于临界点附近。可以这样说：临界状态究竟如何，就是饱和汽、液分不清。这就是临界点附近，饱和汽、液模糊不清的现象。7、测定高于临界温度t=50℃时的定温线。将数据填入原始记录表1。五、实验结果处理和分析1、按表1的数据，如图三在p-v坐标系中画出三条等温线。2、将实验测得得等温线与图三所示的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及原因。3、将实验测得的饱和温度与压力的对应值与图四给出的ts-ps曲线相比较。5表1CO2等温实验原始记录t=20℃t=31.1℃（临界）t=50℃P(Mpa)Δhv=Δh/K现象p(Mpa)Δhv=Δh/K现象p(Mpa)Δhv=Δh/K现象进行等温线实验所需时间分钟分钟分钟6图三标准曲线74、将实验测定的临界比容c与理论计算值一并填入表2，并分析它们之间的差异及其原因。表2临界比容Vc[m3/Kg]标准值实验值Vc=RTc/Pc0.002165、应用RK状态方程：bvvTabvRTP5.0（1－5）ccccPRTbPTRa0867.0,4278.05.22（1－6）进行体积数据推算并与相应的实验值比较。8CO2的临界参数为：TC＝304.2K；PC＝7.376Mpa六、仪器参数尺寸:1000×400×800电源:220V功率:1.5KW测定二氧化碳的P-V-T关系，测定其临界参数PVT/测定二氧化碳在不同压力下饱和蒸汽和饱和液体的比容，如测定二氧化碳和温度和饱和压力的对应关系七、参考文献1VargafticNB.TablesontheThermophysicalPropertiesofLiquidsandGases.2ndEd.NewYork:HemispherePublishingCorp.,1975.167～1682NeindreBLE,VodarB.ExperimentalThermodynamics.VolII.London:Butterworths,1968.347～3583童景山.分子聚集理论及其应用.北京:科学出版社，1999.32～36，209～2164童景山.CO2气、液、固三相饱和态下PVT的计算.工程热物理学报，2001，22（6）:668～670。