二氧化碳PVT關(guān)系測定實驗原理及說明
2022-04-06 08:04二氧化碳PVT關(guān)系測定實驗原理及說明
一、實驗?zāi)康?/strong>
1.了解CO2臨界狀態(tài)的觀測方法，增加對臨界狀態(tài)概念的感性認(rèn)識。
2.增加對課堂所講的工質(zhì)熱力狀態(tài)、凝結(jié)、汽化、飽和狀態(tài)等基本概念的理解。
3.掌握CO2的p-v-t關(guān)系的測定方法，學(xué)會用實驗測定實際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法和技巧。
4.學(xué)會活塞式壓力計，恒溫器等熱工儀器的正確使用方法。
二、二氧化碳PVT關(guān)系測定實驗內(nèi)容
1.測定CO2的p-v-t關(guān)系。在p-v坐標(biāo)系中繪出低于臨界溫度（t=20℃）、臨界溫度（t=31.1℃）和高于臨界溫度（t=50℃）的三條等溫曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)實驗曲線及理論計算值相比較，并分析其差異原因。
2.測定CO2在低于臨界溫度（t=20℃、27℃）飽和溫度和飽和壓力之間的對應(yīng)關(guān)系，并與圖四中的ts-ps曲線比較。
3.觀測臨界狀態(tài)
1）臨界狀態(tài)附近氣液兩相模糊的現(xiàn)象。
2）氣液整體相變現(xiàn)象。
3）測定CO2的pc、vc、tc等臨界參數(shù)，并將實驗所得的vc值與理想氣體狀態(tài)方程和范德瓦爾方程的理論值相比教，簡述其差異原因。
三、二氧化碳PVT關(guān)系測定實驗設(shè)備及原理
整個實驗裝置由壓力臺、恒溫器和實驗臺本體及其防護(hù)罩等三大部分組成（如圖一所示）。
圖一 試驗臺系統(tǒng)圖
圖二 試驗臺本體
試驗臺本體如圖二所示。其中1—高壓容器；2—玻璃杯；3—壓力機(jī)；4—水銀；5—密封填料；6—填料壓蓋；7—恒溫水套；8—承壓玻璃杯；9—CO2空間；10—溫度計。、
對簡單可壓縮熱力系統(tǒng)，當(dāng)工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時，其狀態(tài)參數(shù)p、v、t之間有：
F(p,v,t)=0
或t=f(p,v) （1）
本實驗就是根據(jù)式（1），采用定溫方法來測定CO2的p-v-t關(guān)系，從而找出CO2的p-v-t關(guān)系。
實驗中，由壓力臺送來的壓力由壓力油進(jìn)入高壓容器和玻璃杯上半部，迫使水銀進(jìn)入預(yù)先裝了CO2氣體的承壓玻璃管，CO2被壓縮，其壓力和容器通過壓力臺上的活塞桿的進(jìn)、退來調(diào)節(jié)。溫度由恒溫器供給的水套里的水溫來調(diào)節(jié)。
實驗工質(zhì)二氧化碳的壓力，由裝在壓力臺上的壓力表讀出（如要提高精度，可由加在活塞轉(zhuǎn)盤上的平衡砝碼讀出，并考慮水銀柱高度的修正）。溫度由插在恒溫水套中的溫度計讀出。比容首先由承壓玻璃管內(nèi)二氧化碳柱的高度來測量，而后再根據(jù)承壓玻璃管內(nèi)徑均勻、截面不變等條件來換算得出。
四、實驗步驟
1.按圖一裝好實驗設(shè)備，并開啟實驗本體上的日光燈。
2.恒溫器準(zhǔn)備及溫度調(diào)節(jié)：
1）入恒溫器內(nèi)，注至離蓋30～50mm。檢查并接通電路，開動電動泵，使水循環(huán)對流。
2）使用電接點(diǎn)溫度計時，旋轉(zhuǎn)電接點(diǎn)溫度計頂端的帽形磁鐵，調(diào)動凸輪示標(biāo)，使凸輪上端面與鎖要調(diào)定的溫度一致，再將帽形磁鐵用橫向螺釘鎖緊，以防轉(zhuǎn)動。使用電子控溫裝置時，按面板溫度調(diào)節(jié)裝置調(diào)整溫度點(diǎn)。
3）視水溫情況，開、關(guān)加熱器，當(dāng)水溫未達(dá)到要調(diào)定的溫度時，恒溫器指示燈是亮的，當(dāng)指示燈時亮?xí)r滅閃動時，說明溫度已達(dá)到所需要恒溫。
4）觀察玻璃水套上的溫度計，若其讀數(shù)與恒溫器上的溫度計及電接點(diǎn)溫度計標(biāo)定的溫度一致時（或基本一致），則可（近似）認(rèn)為承壓玻璃管內(nèi)的CO2的溫度處于所標(biāo)定的溫度。
5）當(dāng)所需要改變實驗溫度時，重復(fù)（2）～（4）即可。
3.加壓前的準(zhǔn)備：
因為壓力臺的油缸容量比容器容量小，需要多次從油杯里抽油，再向主容器充油，才能使壓力表顯示壓力讀數(shù)。壓力臺抽油、充油的操作過程非常重要，若操作失誤，不但加不上壓力，還會損壞試驗設(shè)備。所以，務(wù)必認(rèn)真掌握，其步驟如下：
1）關(guān)閉壓力表及其進(jìn)入本體油路的兩個閥門，開啟壓力臺上油杯的進(jìn)油閥。
2）搖退壓力臺上的活塞螺桿，直至螺桿全部退出。這時，壓力臺油缸中抽滿了油。
3）先關(guān)閉油杯閥門，然后開啟壓力表和進(jìn)入本體油路的兩個閥門。
4）搖進(jìn)活塞螺桿，使本體充油。如此交復(fù)，直至壓力表上有壓力讀數(shù)為止。
5）再次檢查油杯閥門是否關(guān)好，壓力表及本體油路閥門是否開啟。若均已調(diào)定后，即可進(jìn)行實驗。
4.作好實驗的原始記錄：
1）設(shè)備數(shù)據(jù)記錄：儀器、儀表名稱、型號、規(guī)格、量程、精度。
2）常規(guī)數(shù)據(jù)記錄：室溫、大氣壓、實驗環(huán)境情況等。
3）測定承壓玻璃管內(nèi)CO2質(zhì)量不便測量，而玻璃管內(nèi)徑或截面積（A）又不易測準(zhǔn)，因而實驗中采用間接辦法來確定CO2的比容，認(rèn)為CO2的比容V與其高度是一種線性關(guān)系。具體方法如下：
a.已知CO2液體在20℃，9.8MPa時的比容V（20℃，9.8Mpa）=0.00117m3/kg。
B.實際測定實驗臺在20℃，9.8Mpa時的CO2液柱高度Δh0（m）。（注意玻璃管水套上刻度的標(biāo)記方法）
c.∵V（20℃，9.8Mpa）=
∴
其中：K——即為玻璃管內(nèi)CO2的質(zhì)面比常數(shù)。
所以，任意溫度、壓力下CO2的比容為：
（m3/kg）
式中，Δh=h-h0
h——任意溫度、壓力下水銀柱高度。
h0——承壓玻璃管內(nèi)徑頂端刻度。
5.測定低于臨界溫度t=20℃時的定溫線。
1）將恒溫器調(diào)定在t=20℃，并保持恒溫。
2）壓力從4.41Mpa開始，當(dāng)玻璃管內(nèi)水銀柱升起來后，應(yīng)足夠緩慢地?fù)u進(jìn)活塞螺桿，以保證定溫條件。否則，將來不及平衡，使讀數(shù)不準(zhǔn)。
3）按照適當(dāng)?shù)膲毫﹂g隔取h值，直至壓力p=9.8MPa。
4）注意加壓后CO2的變化，特別是注意飽和壓力和飽和溫度之間的對應(yīng)關(guān)系以及液化、汽化等現(xiàn)象。要將測得的實驗數(shù)據(jù)及觀察到的現(xiàn)象一并填入表1。
5）測定t=25℃、27℃時其飽和溫度和飽和壓力的對應(yīng)關(guān)系。
6.測定臨界參數(shù)，并觀察臨界現(xiàn)象。
1）按上述方法和步驟測出臨界等溫線，并在該曲線的拐點(diǎn)處找出臨界壓力pc和臨界比容vc，并將數(shù)據(jù)填入表1。
2）觀察臨界現(xiàn)象。
a.整體相變現(xiàn)象
由于在臨界點(diǎn)時，汽化潛熱等于零，飽和汽線和飽和液線合于一點(diǎn)，所以這時汽液的相互轉(zhuǎn)變不是象臨界溫度以下時那樣逐漸積累，需要一定的時間，表現(xiàn)為漸變過程，而這時當(dāng)壓力稍在變化時，汽、液是以突變的形式相互轉(zhuǎn)化。
b.汽、液兩相模糊不清的現(xiàn)象
處于臨界點(diǎn)的CO2具有共同參數(shù)（p,v,t），因而不能區(qū)別此時CO2是氣態(tài)還是液態(tài)。如果說它是氣體，那么，這個氣體是接近液態(tài)的氣體；如果說它是液體，那么，這個液體又是接近氣態(tài)的液體。下面就來用實驗證明這個結(jié)論。因為這時處于臨界溫度下，如果按等溫線過程進(jìn)行，使CO2壓縮或膨脹，那么，管內(nèi)是什么也看不到的�，F(xiàn)在，我們按絕熱過程來進(jìn)行。首先在壓力等于7.64Mpa附近，突然降壓CO2狀態(tài)點(diǎn)由等溫線沿絕熱線降到液區(qū)，管內(nèi)CO2出現(xiàn)明顯的液面。這就是說，如果這時管內(nèi)的CO2是氣體的話，那么，這種氣體離液區(qū)很接近，可以說是接近液態(tài)的氣體；當(dāng)我們在膨脹之后，突然壓縮CO2時，這個液面又立即消失了。這就告訴我們，這時CO2液體離氣區(qū)也是非常接近的，可以說是接近氣態(tài)的液體。既然，此時的CO2既接近氣態(tài)，又接近液態(tài)，所以能處于臨界點(diǎn)附近�？梢赃@樣說：臨界狀態(tài)究竟如何，就是飽和汽、液分不清。這就是臨界點(diǎn)附近，飽和汽、液模糊不清的現(xiàn)象。
7.測定高于臨界溫度t=50℃時的定溫線。將數(shù)據(jù)填入原始記錄表1。
五、實驗結(jié)果處理和分析
1.按表1的數(shù)據(jù)，如圖三在p-v坐標(biāo)系中畫出三條等溫線。
2.將實驗測得的等溫線與圖三所示的標(biāo)準(zhǔn)等溫線比較，并分析它們之間的差異及原因。
3.將實驗測得的飽和溫度與壓力的對應(yīng)值與圖四給出的ts-ps曲線相比較。
CO2等溫實驗原始記錄 表1
圖三 標(biāo)準(zhǔn)曲線
4.將實驗測定的臨界比容Vc與理論計算值一并填入表2，并分析它們之間的差異及其原因。
臨界比容Vc[m3/Kg] 表2
一、實驗?zāi)康?/strong>
1.了解CO2臨界狀態(tài)的觀測方法，增加對臨界狀態(tài)概念的感性認(rèn)識。
2.增加對課堂所講的工質(zhì)熱力狀態(tài)、凝結(jié)、汽化、飽和狀態(tài)等基本概念的理解。
3.掌握CO2的p-v-t關(guān)系的測定方法，學(xué)會用實驗測定實際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法和技巧。
4.學(xué)會活塞式壓力計，恒溫器等熱工儀器的正確使用方法。
二、二氧化碳PVT關(guān)系測定實驗內(nèi)容
1.測定CO2的p-v-t關(guān)系。在p-v坐標(biāo)系中繪出低于臨界溫度（t=20℃）、臨界溫度（t=31.1℃）和高于臨界溫度（t=50℃）的三條等溫曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)實驗曲線及理論計算值相比較，并分析其差異原因。
2.測定CO2在低于臨界溫度（t=20℃、27℃）飽和溫度和飽和壓力之間的對應(yīng)關(guān)系，并與圖四中的ts-ps曲線比較。
3.觀測臨界狀態(tài)
1）臨界狀態(tài)附近氣液兩相模糊的現(xiàn)象。
2）氣液整體相變現(xiàn)象。
3）測定CO2的pc、vc、tc等臨界參數(shù)，并將實驗所得的vc值與理想氣體狀態(tài)方程和范德瓦爾方程的理論值相比教，簡述其差異原因。
三、二氧化碳PVT關(guān)系測定實驗設(shè)備及原理
整個實驗裝置由壓力臺、恒溫器和實驗臺本體及其防護(hù)罩等三大部分組成（如圖一所示）。
圖一 試驗臺系統(tǒng)圖
圖二 試驗臺本體
試驗臺本體如圖二所示。其中1—高壓容器；2—玻璃杯；3—壓力機(jī)；4—水銀；5—密封填料；6—填料壓蓋；7—恒溫水套；8—承壓玻璃杯；9—CO2空間；10—溫度計。、
對簡單可壓縮熱力系統(tǒng)，當(dāng)工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時，其狀態(tài)參數(shù)p、v、t之間有：
F(p,v,t)=0
或t=f(p,v) （1）
本實驗就是根據(jù)式（1），采用定溫方法來測定CO2的p-v-t關(guān)系，從而找出CO2的p-v-t關(guān)系。
實驗中，由壓力臺送來的壓力由壓力油進(jìn)入高壓容器和玻璃杯上半部，迫使水銀進(jìn)入預(yù)先裝了CO2氣體的承壓玻璃管，CO2被壓縮，其壓力和容器通過壓力臺上的活塞桿的進(jìn)、退來調(diào)節(jié)。溫度由恒溫器供給的水套里的水溫來調(diào)節(jié)。
實驗工質(zhì)二氧化碳的壓力，由裝在壓力臺上的壓力表讀出（如要提高精度，可由加在活塞轉(zhuǎn)盤上的平衡砝碼讀出，并考慮水銀柱高度的修正）。溫度由插在恒溫水套中的溫度計讀出。比容首先由承壓玻璃管內(nèi)二氧化碳柱的高度來測量，而后再根據(jù)承壓玻璃管內(nèi)徑均勻、截面不變等條件來換算得出。
四、實驗步驟
1.按圖一裝好實驗設(shè)備，并開啟實驗本體上的日光燈。
2.恒溫器準(zhǔn)備及溫度調(diào)節(jié)：
1）入恒溫器內(nèi)，注至離蓋30～50mm。檢查并接通電路，開動電動泵，使水循環(huán)對流。
2）使用電接點(diǎn)溫度計時，旋轉(zhuǎn)電接點(diǎn)溫度計頂端的帽形磁鐵，調(diào)動凸輪示標(biāo)，使凸輪上端面與鎖要調(diào)定的溫度一致，再將帽形磁鐵用橫向螺釘鎖緊，以防轉(zhuǎn)動。使用電子控溫裝置時，按面板溫度調(diào)節(jié)裝置調(diào)整溫度點(diǎn)。
3）視水溫情況，開、關(guān)加熱器，當(dāng)水溫未達(dá)到要調(diào)定的溫度時，恒溫器指示燈是亮的，當(dāng)指示燈時亮?xí)r滅閃動時，說明溫度已達(dá)到所需要恒溫。
4）觀察玻璃水套上的溫度計，若其讀數(shù)與恒溫器上的溫度計及電接點(diǎn)溫度計標(biāo)定的溫度一致時（或基本一致），則可（近似）認(rèn)為承壓玻璃管內(nèi)的CO2的溫度處于所標(biāo)定的溫度。
5）當(dāng)所需要改變實驗溫度時，重復(fù)（2）～（4）即可。
3.加壓前的準(zhǔn)備：
因為壓力臺的油缸容量比容器容量小，需要多次從油杯里抽油，再向主容器充油，才能使壓力表顯示壓力讀數(shù)。壓力臺抽油、充油的操作過程非常重要，若操作失誤，不但加不上壓力，還會損壞試驗設(shè)備。所以，務(wù)必認(rèn)真掌握，其步驟如下：
1）關(guān)閉壓力表及其進(jìn)入本體油路的兩個閥門，開啟壓力臺上油杯的進(jìn)油閥。
2）搖退壓力臺上的活塞螺桿，直至螺桿全部退出。這時，壓力臺油缸中抽滿了油。
3）先關(guān)閉油杯閥門，然后開啟壓力表和進(jìn)入本體油路的兩個閥門。
4）搖進(jìn)活塞螺桿，使本體充油。如此交復(fù)，直至壓力表上有壓力讀數(shù)為止。
5）再次檢查油杯閥門是否關(guān)好，壓力表及本體油路閥門是否開啟。若均已調(diào)定后，即可進(jìn)行實驗。
4.作好實驗的原始記錄：
1）設(shè)備數(shù)據(jù)記錄：儀器、儀表名稱、型號、規(guī)格、量程、精度。
2）常規(guī)數(shù)據(jù)記錄：室溫、大氣壓、實驗環(huán)境情況等。
3）測定承壓玻璃管內(nèi)CO2質(zhì)量不便測量，而玻璃管內(nèi)徑或截面積（A）又不易測準(zhǔn)，因而實驗中采用間接辦法來確定CO2的比容，認(rèn)為CO2的比容V與其高度是一種線性關(guān)系。具體方法如下：
a.已知CO2液體在20℃，9.8MPa時的比容V（20℃，9.8Mpa）=0.00117m3/kg。
B.實際測定實驗臺在20℃，9.8Mpa時的CO2液柱高度Δh0（m）。（注意玻璃管水套上刻度的標(biāo)記方法）
c.∵V（20℃，9.8Mpa）=
∴
其中：K——即為玻璃管內(nèi)CO2的質(zhì)面比常數(shù)。
所以，任意溫度、壓力下CO2的比容為：
（m3/kg）式中，Δh=h-h0
h——任意溫度、壓力下水銀柱高度。
h0——承壓玻璃管內(nèi)徑頂端刻度。
5.測定低于臨界溫度t=20℃時的定溫線。
1）將恒溫器調(diào)定在t=20℃，并保持恒溫。
2）壓力從4.41Mpa開始，當(dāng)玻璃管內(nèi)水銀柱升起來后，應(yīng)足夠緩慢地?fù)u進(jìn)活塞螺桿，以保證定溫條件。否則，將來不及平衡，使讀數(shù)不準(zhǔn)。
3）按照適當(dāng)?shù)膲毫﹂g隔取h值，直至壓力p=9.8MPa。
4）注意加壓后CO2的變化，特別是注意飽和壓力和飽和溫度之間的對應(yīng)關(guān)系以及液化、汽化等現(xiàn)象。要將測得的實驗數(shù)據(jù)及觀察到的現(xiàn)象一并填入表1。
5）測定t=25℃、27℃時其飽和溫度和飽和壓力的對應(yīng)關(guān)系。
6.測定臨界參數(shù)，并觀察臨界現(xiàn)象。
1）按上述方法和步驟測出臨界等溫線，并在該曲線的拐點(diǎn)處找出臨界壓力pc和臨界比容vc，并將數(shù)據(jù)填入表1。
2）觀察臨界現(xiàn)象。
a.整體相變現(xiàn)象
由于在臨界點(diǎn)時，汽化潛熱等于零，飽和汽線和飽和液線合于一點(diǎn)，所以這時汽液的相互轉(zhuǎn)變不是象臨界溫度以下時那樣逐漸積累，需要一定的時間，表現(xiàn)為漸變過程，而這時當(dāng)壓力稍在變化時，汽、液是以突變的形式相互轉(zhuǎn)化。
b.汽、液兩相模糊不清的現(xiàn)象
處于臨界點(diǎn)的CO2具有共同參數(shù)（p,v,t），因而不能區(qū)別此時CO2是氣態(tài)還是液態(tài)。如果說它是氣體，那么，這個氣體是接近液態(tài)的氣體；如果說它是液體，那么，這個液體又是接近氣態(tài)的液體。下面就來用實驗證明這個結(jié)論。因為這時處于臨界溫度下，如果按等溫線過程進(jìn)行，使CO2壓縮或膨脹，那么，管內(nèi)是什么也看不到的�，F(xiàn)在，我們按絕熱過程來進(jìn)行。首先在壓力等于7.64Mpa附近，突然降壓CO2狀態(tài)點(diǎn)由等溫線沿絕熱線降到液區(qū)，管內(nèi)CO2出現(xiàn)明顯的液面。這就是說，如果這時管內(nèi)的CO2是氣體的話，那么，這種氣體離液區(qū)很接近，可以說是接近液態(tài)的氣體；當(dāng)我們在膨脹之后，突然壓縮CO2時，這個液面又立即消失了。這就告訴我們，這時CO2液體離氣區(qū)也是非常接近的，可以說是接近氣態(tài)的液體。既然，此時的CO2既接近氣態(tài)，又接近液態(tài)，所以能處于臨界點(diǎn)附近�？梢赃@樣說：臨界狀態(tài)究竟如何，就是飽和汽、液分不清。這就是臨界點(diǎn)附近，飽和汽、液模糊不清的現(xiàn)象。
7.測定高于臨界溫度t=50℃時的定溫線。將數(shù)據(jù)填入原始記錄表1。
五、實驗結(jié)果處理和分析
1.按表1的數(shù)據(jù)，如圖三在p-v坐標(biāo)系中畫出三條等溫線。
2.將實驗測得的等溫線與圖三所示的標(biāo)準(zhǔn)等溫線比較，并分析它們之間的差異及原因。
3.將實驗測得的飽和溫度與壓力的對應(yīng)值與圖四給出的ts-ps曲線相比較。
CO2等溫實驗原始記錄 表1
| t=20℃ | t=31.1℃（臨界） | t=50℃ | |||||||||
|
p (Mpa) |
Δh | v=Δh/K | 現(xiàn)象 |
p (Mpa) |
Δh | v=Δh/K | 現(xiàn)象 |
p (Mpa) |
Δh | v=Δh/K | 現(xiàn)象 |
| 進(jìn)行等溫線實驗所需時間 | |||||||||||
| 分鐘 | 分鐘 | 分鐘 | |||||||||
圖三 標(biāo)準(zhǔn)曲線
4.將實驗測定的臨界比容Vc與理論計算值一并填入表2，并分析它們之間的差異及其原因。
臨界比容Vc[m3/Kg] 表2
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | 實驗值 | Vc=RTc/Pc | Vc=3/8 | RT/Pc |
| 0.00216 |
