二氧化碳pvt关系实验指导书.docx
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二氧化碳pvt关系实验指导书
二氧化碳P-V-T关系测试实验装置
实验指导书
姓名：
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学号：
教师：
时间：
郑州航空工业管理学院航空工程系
二零一五年
目录
第一章实验装置说明1
第一节系统概述1
一、概述1
二、装置特点1
第二节实验装置介绍1
一、对象组成1
二、控制系统1
第二章实验内容2
第一节二氧化碳P-V-T关系测试实验装置2
一、实验目的2
二、实验原理2
三、实验内容2
四、实验设备简介2
五、实验步骤4
六、注意事项6
七、实验结果处理和分析7
附图8
附图一：
8
附图二：
9
附表10
附表一：
10
附表二：
10
第一章实验装置说明
第一节系统概述
一、概述
本装置主要用于测定二氧化碳的P-V-T关系。
观察临界现象，测定其临界参数P、V、T；测定二氧化碳在不同压力下饱和蒸汽和饱和液体的比容；测定二氧化碳饱和温度和饱和压力的对应关系。
可使学生增加对临界状态概念的感性认识，加深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，掌握二氧化碳的P-V-T关系的测定方法和实验测定实际气体状态变化规律的方法、技巧。
二、装置特点
1.实验装置配置电镀本体、玻璃阻容器管和有机玻璃水套、可制冷又能加热的恒温水箱、500mm长节能灯和有机玻璃保护罩、专用工作台（配有万向轮，移动方便）等；设计思路新颖，结构安全可靠。
2.测量系统配置有高精度压力校验仪、智能温度控制仪表（PID调节控温，精度±0.5℃）、高精度PID调压模块电路，实验结果准确。
3.设有电流型漏电保护、过载保护、接地保护，可对人身及设备进行有效保护。
第二节实验装置介绍
一、对象组成
由实验台本体、有机玻璃保护罩、恒温水箱、压力校验仪、风冷冷凝器、水泵、加热棒、热电偶、管道及阀门等组成。
1.实验台本体：
实验台本体由高压容器、玻璃杯、压力油、水银、密封填料、填料压盖、恒温水套、承压玻璃管、二氧化碳和热电偶等组成。
2.有机玻璃保护罩：
采用透明有机玻璃材料制成，不仅可以观测实验的整个流程，而且美观大方。
3.恒温水箱：
不锈钢304材质制成。
外形尺寸为：
长×宽×高=330mm×220mm×320mm。
4.压力校验仪：
压力校验仪是用于检验一般压力表的压力源，检验压力范围：
0-60MPa，工作温度范围：
10-30℃。
5.风冷冷凝器：
采用风冷型冷凝器，电源：
220V，功率：
50W
6.水泵：
磁力驱动循环泵，电源：
220V，扬程：
1.5m，功率：
10W
二、控制系统
由对象控制箱、漏电保护器、温控仪、指示灯、控制开关等组成。
第二章实验内容
第一节二氧化碳P-V-T关系测试实验装置
一、实验目的
1．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。
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．掌握工质饱和温度与饱和压力关系的测定方法。
学会活塞式压力计、恒温器等热工仪器的正确使用方法。
4．了解工质临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。
5．通过实验理解饱和状态与临界状态的区别。
二、实验原理
在准平衡状态下，工质的压力P、比容V和温度ｔ之间存在某种确定关系，即状态方程
F（P，V，t）=0
理想气体的状态方程具有最简单的形式：
PV=RT
实际气体的状态方程比较复杂，目前尚不能将各种气体的状态方程用一个统一的形式表示出来（虽然已经有了许多在某种条件下能较好反映P、V、ｔ之间关系的实际气体的状态方程。
）因此，具体测定某种气体的P、V、ｔ关系，并将实测结果表示在坐标图上形成状态图，乃是一种重要而有效的研究气体工质热力性质的方法。
在平面的状态图上只能表达两个参数之间的函数关系，故具体测定时有必要保持某一个状态参数为定值，本实验就是在保持温度ｔ不变的条件下进行的。
三、实验内容
1.设计数据记录及整理计算用的表格；
2.测定工质（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。
3.测定工质（CO2）的饱和温度与饱和压力关系，在p-ｔ坐标系中绘出饱和温度与饱和压力关系曲线。
4.观测工质临界状态
（1）临界状态附近汽液两相模糊的现象。
（2）汽液整体相变现象。
（3）测定CO2的
、
、
等临界参数，并将实验所得的
值与理想气体状态方程和范德瓦尔方程的理论值相比较，简述其差异原因。
四、实验设备简介
整个实验装置由压力系统、恒温系统和实验台本体及其防护罩等组成（如图一所示）。
实验台本体结构如图二所示。
图三二氧化碳P-V-T关系测试实验装置示意图
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。
当工质处于饱和状态时，其状态参数ｐ、ｔ之间有：
F（p,t）=0或t=f（p）
（2）
本实验根据
（2）式，通过现象观察（即汽、液同时存在时，工质处于饱和状态。
），就可测出饱和温度与饱和压力之间的关系。
实验中，由压力台送来的压力油进入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了CO2气体的承压玻璃管内，CO2被压缩，其压力的大小可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。
实验二氧化碳的压力，由装在压力台上的压力表读出。
温度由温控仪表读出（将波段开关拨向恒温箱水温）。
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均匀、截面不变等条件来换算得出（承压玻璃管内径Φ2mm）。
五、实验步骤
1．按图三装好实验设备，并开启实验台上的照明日光灯。
2．恒温箱准备及温度调节：
（1）把水注入恒温箱内，至离盖30-50mm，检查并接通电路，开启水泵，使水循环对流。
（2）打开控制面板上温控仪和制热电源开关，对温控仪参数进行设置，将其设置为自动控制状态并将设定值SV设定为实验所需温度值（若实验水温高于实验所需温度，可打开控制面板上的制冷电源开关，进行降温处理）。
（3）将波段开关拨向水套水温，观察水套温度显示（与水套上的热电偶配套），即是承压玻璃管内的CO2的温度。
（4）当需要改变实验温度时，重复
（2）、（3）即可。
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，还会损坏实验设备。
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阀门，开启压力台上油杯的进油阀。
（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阀门。
（4）摇进活塞螺杆，使本体充油。
如此反复，直至压力表上达到所要求的压力读数为止。
应特别注意以下情况，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，先关油路控制阀与压力表阀；再开油杯进油阀；倒退螺杆抽油至极限位置；然后关闭油杯进油阀，开压力表控制阀与油路控制阀（注意：
油路控制阀、压力表阀决不能同时处于开启状态！
），推进螺杆逐渐加压直到所需值。
（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、精度。
（2）常规数据记录：
室温、大气压、实验环境情况等。
（3）承压玻璃管内CO2质量ｍ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，因为CO2的比容V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
V（20℃，9.8Mpa）=0.00117m3/kg。
b．实际测定实验台上在20℃，9.8Mpa时的CO2在容器内所占高度Δh0（m）。
（注意玻璃管水套上刻度的标记方法）
c．∵V（20℃，9.8Mpa）=
式中：
A为玻璃管内截面积；ｍ为玻璃管内CO2总质量。
∴
其中：
K——即为玻璃管内CO2的质量面积比（常数）。
所以，任意温度、压力下CO2的比容为：
式中h——任意温度、压力下水银柱高度。
h0——承压玻璃管内顶端所处高度。
5．测定低于临界温度t=20℃时的定温线。
（1）将恒温箱温度设定在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，以保证定温条件。
否则，将来不及平衡，使读数不准。
（3）在4.5MPa至9.8MPa之间按照适当的压力间隔保持不同的平衡状态并测取h值。
（4）注意加压后CO2的状态变化，特别是注意液化、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记录表中。
6．测定饱和温度与饱和压力之间的对应关系。
（1）将恒温箱在20℃－30℃之间选取几个不同的温度点，并保持恒温。
（2）缓慢地摇进活塞螺杆（以足够保证定温条件），让压力从4.41Mpa开始慢慢增加，当玻璃管内水银面上汽态与液态的CO2同时存在时，停止摇动活塞螺杆5分钟左右，当压力温度都不再变化时，记录此时的压力与温度。
7．测定临界温度t=31.1℃时的定温线。
（1）将恒温箱温度设定在t=31.1℃，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，以保证定温条件。
否则，将来不及平衡，使读数不准。
（3）在4.5MPa至9.8MPa之间按照适当的压力间隔保持不同的平衡状态并测取h值。
（4）注意加压后CO2的状态变化，特别是临界现象（在临界状态附近要多测些数据）。
要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入记录表中。
8．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Vc。
（2）观察临界现象。
临界温度指气体能通过加压压缩成液态的最高温度，当温度高于临界温度时，无论加多大的压力也不能使气体液化。
理论上CO2的临界温度是31.1℃，故实验时温度在此附近时，通过不断地加压能在某一个状态点（理论上此时对应的压力为7.52MPa看到水银柱上面出现少许白雾（液化）随后加压白雾消失，无论再怎么加压也不会出现在20℃－30℃之间所看到的汽液共存现象。
9．测定高于临界温度t=50℃时的定温线。
（1）将恒温箱温度设定t=50℃，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，以保证定温条件。
否则，将来不及平衡，使读数不准。
（3）在4.5MPa至9.8MPa之间按照适当的压力间隔保持不同的平衡状态并测取h值。
（4）注意加压后CO2的状态变化，是否还能观察到前面实验所看到的饱和现象与临界现象？
要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入记录表中。
六、注意事项
1．除t=20℃时，须加压到绝对压力10MPa（表压9.8MPa）外，其余各等温线均在5～9MPa间测出h值，表压不得超过10MPa，温度不应超过50℃。
2．一般压力间隔可取0.2～0.5MPa，接近饱和状态和临界状态时压力间隔适当取小些。
3．加压过程应足够缓慢以实现准平衡过程，卸压时与加压的操作步骤正好相反。
注：
决不可直接打开油杯阀卸压！
以防损坏实验设备。
4．实验完毕将仪器设备擦净。
将原始记录交指导教师签字后方可离开实验室。
5．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、实验结果处理和分析
1．将计算结果所得数据在p-v坐标系中画出三条等温线。
2．将实验测得的等温线与附图中所对应的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及原因。
3．将所测的饱和温度与饱和压力对应值画在p-ｔ坐标图上，并找出二者相互依变的趋势。
4．用文字描述你所看到的临界现象。
附图
附图一：
附图二：
附表
附表一：
临界比容Vc[m3/Kg]
标准值
实验值
Vc=RTc/Pc
Vc=3/8
RT/Pc
0.00216
附表二：
t=20℃
t=31.1℃（临界）
t=50℃
P
Δh
v
现象
P
Δh
v
现象
P
Δh
v
现象
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