实验3 二氧化碳气体P-V-T关系的测定

1天津大学热工基础与应用实验报告学校院系：天津大学机械工程学院指导教师：学生姓名：准考证号：2实验3二氧化碳气体P-V-T关系的测定一、实验目的1.了解CO2临界状态的观测方法，增强对临界状态概念的感性认识。2.巩固课堂讲授的实际气体状态变化规律的理论知识，加深对饱和状态、临界状态等基本概念的理解。3.掌握CO2的P-V-T间关系测定方法。观察二氧化碳气体的液化过程的状态变化，及经过临界状态时的气液突变现象，测定等温线和临界状态的参数。二、实验任务1．测定CO2气体基本状态参数P-V-T之间的关系，在P—V图上绘制出t为20℃、31.1℃、40℃三条等温曲线。2．观察饱和状态，找出t为20℃时，饱和液体的比容与饱和压力的对应关系。3．观察临界状态，在临界点附近出现气液分界模糊的现象，测定临界状态参数。4．根据实验数据结果，画出实际气体P-V-t的关系图。三、实验原理一、水蒸气的定压发生过程取初始状态a时水的压力为p，而温度与三相点温度相同，即为0.01℃，因该温度低于压力p所对应的饱和温度ts，故处于未饱和水状态。为使容积变化时保持压力不变，假设容器为具有活塞的气缸，如图3-1a所示。当水受热时，水的温度升高，比体积略有增加，直到水的温度升高到压力p所对应的饱和温度ts时，全部水变成饱和水，如图10-1b所示。其状态变化过程，如图3-2中过程a-b所示。abcde图3-1水蒸气定压发生过程示意图3图3-2水蒸气定压发生过程p-v和t-s示意图对水继续加热，水开始汽化，逐渐由饱和水转变成饱和水蒸气，如图10-1c所示，未汽化的部分仍保持为饱和水状态。汽化过程中饱和水与饱与水蒸气的温度和压力都保持不变，但两者混合物的容积增长很快，即混合物的折合比体积vx增加很快。当饱和水全部转变为饱和水蒸气时，即达到干饱和水蒸气状态，如图10-1d所示。因为饱和水定压汽化成为干饱和水蒸气的过程也是定温过程，故在p-v图及T-s图上汽化过程b-d都是一条水平线，如图3-2中过程b-d所示。干饱和水蒸气继续加热，水蒸气的温度便升高到高于饱和温度的数值，这种水蒸气称为过热水蒸气。过热水蒸气的比体积比饱和水蒸气大，其状态如图3-1e所示。过热水蒸气的温度与同压力下的饱和温度之差称为水蒸气的过热度，即D＝t-ts。三、水蒸气的p-v图和T-s图在不同的压力下对水加热，同样要经历类似上述的相变过程。在p-v图和T-s图上，将各定压线上所有开始汽化的各点连接起来，形成一条如图10-5中B-c所示的曲线，线上各点相应于不同压力下的饱和水状态，称为下界线，即饱和水线。将定压线上所有汽化完毕的各点连接起来，形成另一条曲线A-c，线上各点相应于不同压力下的干饱和水蒸气状态，称为上界线，也即干饱和水蒸气线。当压力增加到某一确定值时，饱和水状态与干饱和蒸汽状态重合，成为水、汽不分的状态，即临界点c。水蒸气的临界参数为tc＝374.15℃pc＝22.120Mpavc＝0.00317m3/kg下界线和上界线在临界点c相交，形成了为饱和曲线A-c-B所包围的饱和区，在该区域内饱和水和饱和水蒸气共存，称为湿饱和蒸汽，因此饱和区又称为湿蒸汽区。当压力高于临界压力pc时，便不再发生水的定压汽化过程，如图3-3中过程1-2所示。图3-3水蒸气的p-v图及T-s图分析水蒸气的相变图线可见，上、下界线表明了水汽化的始末界线，二者统称饱和曲线，它把p-v和T-s图分为三个区域，即液态区(下界线左侧)、湿蒸汽区(饱和曲线内)、汽态区(上界线右侧)。此外，习惯上常把压力高于临界点的临界温度线作为“永久”气体与液体的分界线。所以，水蒸气的相变图线，可以总结为一点(临界点)、二线(上界线、下界线)、三区(液态区、湿蒸汽区、气态区)和五态(未饱和水状态、饱和水状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态、过热蒸汽状态)。2.理想气体状态方程：PV=nRT4R:通用气体常数8.314J/mol·RV:体积n:摩尔数实际气体：因为气体分子体积和分子之间存在相互的作用力，状态参数（压力、温度、比容）之间的关系不再遵循理想气体方程式了。考虑上述两方面的影响，1873年范德瓦尔对理想气体状态方程式进行了修正，提出如下修正方程：RTbvvap2（3-1）式中:a/v2是分子力的修正项；b是分子体积的修正项。修正方程也可写成:0)(23abavvRTbppv（3-2）它是V的三次方程。随着P和T的不同，V可以有三种解：三个不等的实根；三个相等的实根；一个实根、两个虚根。1869年安德鲁用CO2做试验说明了这个现象，他在各种温度下定温压缩CO2并测定p与v，得到了P—V图上一些等温线，如图2—1所示。从图中可见，当t31.1℃时，对应每一个p，可有一个v值，相应于（1）方程具有一个实根、两个虚根；当t=31.1℃时，而p=pc时，使曲线出现一个转折点C即临界点，相应于方程解的三个相等的实根；当t31.1℃时，实验测得的等温线中间有一段是水平线（气体凝结过程），这段曲线与按方程式描出的曲线不能完全吻合。这表明范德瓦尔方程不够完善之处，但是它反映了物质汽液两相的性质和两相转变的连续性。3．简单可压缩系统工质处于平衡状态时，状态参数压力、温度和比容之间有确定的关系，可表示为：F（P，V，T）=0或v=f(P,T)可见，保持任意一个参数恒定，测出其余两个参数之间的关系，就可以求出工质状态变化规律。如维持温度不变，测定比容与压力的对应数值，就可以得到等温线的数据。四、实验设备实验设备：由压缩室本体、恒温器及活塞式压力计组成，如图3—2所示。活塞式压力计：由手轮带动活塞杆的进退调节油压，提供实验中所需的压力。恒温器：提供恒温水，用恒温水再去恒定CO2的温度。保持实验中在不同等级的等温过程中进行。压缩室本体：压缩气体的压缩室本体由一根玻璃毛细管和水银室组成，如图3—3所示。预先刻度和充气的玻璃毛细管1插入水银室2中，再打开玻璃管下口。图3—2实验装置系统51－压缩室本体2—活塞式压力计3－恒温器实验时，由恒温器提供的恒温水，从实验台本体玻璃水套下端进口流入，上端出口流出，反复循环。玻璃恒温水套维持了毛细管内气体温度不变的条件，由于水套上的温度计误差太大，用恒温器上的精密温度计来代替，可以近似认为玻璃管中所存的CO2温度与此温度相同。实验中要缓缓转动活塞式压力计的手轮，逐渐增大压力油室3中的油压，使毛细管内的CO2气体压缩。透过玻璃管可以看到气体的压缩过程。CO2气体压缩时所受压力是由压力台上的压力表读出，气体的体积V由毛细管上的刻度读出，再经过换算得到。它的工作情况可简述而下：由活塞式压力计送来的压力油首先进入高压容器，然后通过高压容器和玻璃杯之间的空隙，使玻璃杯中水银表面上的压力加大，迫使水银进入预先灌有CO2气体的承压玻璃管，使其中的CO2气体受到压缩。如果忽略中间环节的各种压力损失，可以认为CO2气体所受到的压力即活塞式压力计所输出的压力油的压力，其数值可在活塞式压力计台架上的压力表中读出。至于承压玻璃管中CO2气体的容积，则可由水银柱的高度间接测出（下面还将详细述及）。承压玻璃管外还有一个玻璃套管，其上下各有一个接头，分别用橡皮管与恒温器联接。恒温器中的水温由加热器加热、由电接触式水银温度计控制，可以基本保持不变。恒温器中的电动泵装恒温水抽出，由玻璃套管的下端进入，上端流出，在玻璃套管和恒温器之中进行循环。这样，在稳定情况下，可以认为CO2气体的温度与循环水的温度相等。这就保证了CO2可在等温情况下进行状态的改变。活塞式压力计依靠带有活塞的螺杆的前进或后退，改变压力泵中低粘度压力油的压力，它有一个进油阀和两个控制阀，使用时必须严格遵守活塞式压力计的操作规律，以免发生意外，损坏试验台本体。五、实验步骤61．熟悉各实验设备，对照图一搞清楚压力传递的路线及恒温器循环的流程。2．使用恒温器调节温度：（1）准备工作——在恒温器中加入蒸馏水，水面应离盖板3厘米左右。检查并接通电路，启动恒温器电动泵，使循环水对流。（2）调定温度——旋转接触式水银温度计顶部嵌有永久磁铁的胶木帽，到达选定温度后，将胶木帽上的螺钉旋紧。（3）加热升温——实验时应视工况调节加热器，当恒温器指示灯时明时灭时，说明温度已达到所需温度。（4）判断定温——观察与玻璃套管相连的温度显示仪，当它的值与恒温器上的温度计读数基本相同并且保持不变时，可认为CO2的温度已恒定。（注意，此时而时的温度与接触式水银温度计的读数略有不同，应以前者为准。）（5）改变温度——需要改变温度时，重复以上（2）、（3）、（4）各步骤。3.加压准备（1）先关闭压力表控制阀及进入本体油路的控制阀，开启压力计油杯的进3—3压缩室本体示意图1—玻璃毛细管2—水银室3—压力油室4—温度计5—恒温水套7油阀。（2）倒退压力计活塞螺杆，至螺杆全部退出，此时抽油。（3）先关闭油杯进油阀，再开启压力表和油路的两控制阀。（4）向前推进活塞螺杆，向本体注油。如此反复，直至压力表上有读数时止，一般重复两三次即建立油压。特别应注意以下情况，如螺杆已推进到极限位置，而压力尚未达到所需值，必须再一次抽油加压，此时要严格按以下程序操作，先关油路控制阀；再开油杯进油阀，使压力表压力降至0；关压力表控阀，倒退螺杆抽油至极限位置；然后关闭油杯进油阀，开压力表控制阀，推进螺杆逐渐加压直到刚才所建立的油压时才能开油路控制阀（在此以前油路控制阀决不能开！），进一步加压。（5）检查确定油杯进油阀关闭、油路及压力表的两个控制阀开启，温度恒定后，开始实验记录。1．实验记录缓慢加压，密切注意CO2在加压过程的状态变化。将实验过程中的原始数据和物理现象记录在实验报告上。实验数据包括：（1）设备数据：仪器、仪表的名称、型号、规格、精度和量程。（2）常规数据：室温、当时大气压及实验环境条件。（3）技术数据：实验中实测的各种数据，可记录在表一中。六、注意事项1.恒温水的温度应稳定足够长的时间，使毛细管内外的温度均衡后再开始测量数据。2.增大油压时，使毛细管内水银面缓缓上升，要保持缓慢压缩。3.维持温度不变，调整若干次压力，压力间隔一般可取5bar左右，在接近饱和状态或临界状态时应取0.5bar。4.除t=20℃时，须加压至绝对压力为102bar（100ata）外，其余各等温线均在50～90间测出h值，绝对不允许表压超过102bar。5．实验结束卸压时，应使压力逐渐下降，不得直接打开油杯阀门卸压。6.实验完毕将仪器设备擦净。将原始记录交给指导教师签字后方可离开实验室。遇到疑难或异常情况应及时询问指导教师，不得擅自违章处理。七、实验数据整理1．CO2比容的确定实验中由于CO2的质量m不便测定，承受玻璃的内径d也不易测准，因而只能用间接方8法确定V值：因为二氧化碳在20℃，100ata（102bar）时，比容kgvm300117.0即：vco2(20℃，100ata)=kgmdmAmhh30000117.04因为00117.00hVmK(常数)则任意情况下二氧化碳的比容：KhAmhhv0h:水银柱上顶端的刻度h0：水银柱上任意位置的刻度k:质面比所以，只要在实验中测得t=20℃,p=100ata时的h0值，计算出k值后，其它任意状态下的比容V值均可求得。2．列数据表及绘制P-V图。实验数据计算整理后，绘制出实际CO2气体P-V的关系图。图3--1二氧化碳的Ｐ-Ｖ-t的标准曲线9PVCO2气体P-V的关系图八、实验报告的要求1．简述实验目的、任务及实验原理。2．记录实验过程的原始数据（实验数据记录表）。3．根据实验得出的数据结果，计算整理并画出二氧化碳P-V-t的关系图。九、思考题：1．为什么加压时，要足够缓慢地摇动活塞杆而使加压足够缓慢进行？若不缓慢加压，会出现什么问题？2．卸压时为什么不能直接开启油杯阀门。10表3-1实验数据记录表t=20℃t=31.1℃t=40℃表压Pbar高度HmmKHVkgm3观察现象表压Pbar高度HmmKHVkgm3观察现象表压Pbar高度HmmKHV