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2012年热工学实践实验内容

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

1. 理想气体状态方程：PV = RT

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：

?a?? p?2??v?b??RT （3-1）

v??式中: a / v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 : pv32

?(bp?RT)v2?av?ab?0 （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t >31.1℃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t <31.1℃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。

2．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。

图3--1 二氧化碳的Ｐ-Ｖ-t关系

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

1－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。

五、实验步骤

1．首先恒温器接通电源，开动电力泵，使系统水进行循环对流。

2. 旋转电接点温度计的顶端幅形磁铁，调整实验中所规定的恒定温度。

3．开始加热，观察恒温器上精密温度计，若其温度计读数与电接点温度计标定的温度一致时，则可近似认为玻璃管中CO2的温度处于标定的温度。

4. 开始加压，应缓缓地前进活塞螺杆加压，并注意观察CO2受压后的各种现象。

5. 进行记录实验中的各种数据、状态。 6. 当需要改变温度时，重复上述步骤。

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。 图3—3 压缩室本体示意图

6．实验完毕将仪器擦净，恢复原状。 1—玻璃毛细管 2—水银室 3—压力油室 4—温度计 5—恒温水套

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，因而只能用间接方法确定V值：

因为二氧化碳在20℃，100ata（102bar）时，比容v?0.00117mkg即：

3

vco2

因为

h(20℃，100ata)=

?A0m?h0??4md?0.00117m3kg

mh0?K(常数)

?A0.00117则任意情况下二氧化碳的比容： V?hh ?mKA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。

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。

t=20℃ 表压 p 高度 h 表3-1实验数据记录表 t=31.1℃ 高度 h t=40℃ 高度 观观察现象 h 观察现象 表压 p 观察现象 表压 p 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 99