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二氧化碳PVT關(guān)系測(cè)定實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
1.了解CO₂臨界狀態(tài)的觀測(cè)方法，增加對(duì)臨界狀態(tài)概念的感性認(rèn)識(shí)。
2.增加對(duì)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(cè)定方法，學(xué)會(huì)用實(shí)驗(yàn)測(cè)定實(shí)際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法和技巧。
4.學(xué)會(huì)活塞式壓力計(jì)，恒溫器等熱工儀器的正確使用方法。
二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
1.測(cè)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(shí)驗(yàn)曲線及理論計(jì)算值相比較，并分析其差異原因。
2.測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系，并與圖四中的t_s-p_s曲線比較。
3.觀測(cè)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(cè)定CO₂的p_c、v_c、t_c等臨界參數(shù)，并將實(shí)驗(yàn)所得的v_c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(jiǎn)述其差異原因。
三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理
整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由壓力臺(tái)、恒溫器和實(shí)驗(yàn)臺(tái)本體及其防護(hù)罩等三大部分組成（如圖一所示）。

圖一試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖

圖二試驗(yàn)臺(tái)本體
試驗(yàn)臺(tái)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(jì)。、
對(duì)簡(jiǎn)單可壓縮熱力系統(tǒng)，當(dāng)工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時(shí)，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(shí)驗(yàn)就是根據(jù)式（1），采用定溫方法來(lái)測(cè)定CO₂的p-v-t關(guān)系，從而找出CO₂的p-v-t關(guān)系。
實(shí)驗(yàn)中，由壓力臺(tái)送來(lái)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(guò)壓力臺(tái)上的活塞桿的進(jìn)、退來(lái)調(diào)節(jié)。溫度由恒溫器供給的水套里的水溫來(lái)調(diào)節(jié)。
實(shí)驗(yàn)工質(zhì)二氧化碳的壓力，由裝在壓力臺(tái)上的壓力表讀出（如要提高精度，可由加在活塞轉(zhuǎn)盤(pán)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(jì)讀出。比容首先由承壓玻璃管內(nèi)二氧化碳柱的高度來(lái)測(cè)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(lái)?yè)Q算得出。
四、實(shí)驗(yàn)步驟
1.按圖一裝好實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)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(kāi)動(dòng)電動(dòng)泵，使水循環(huán)對(duì)流。
2）使用電接點(diǎn)溫度計(jì)時(shí)，旋轉(zhuǎn)電接點(diǎn)溫度計(jì)頂端的帽形磁鐵，調(diào)動(dòng)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(dòng)。使用電子控溫裝置時(shí)，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(kāi)、關(guān)加熱器，當(dāng)水溫未達(dá)到要調(diào)定的溫度時(shí)，恒溫器指示燈是亮的，當(dāng)指示燈時(shí)亮?xí)r滅閃動(dòng)時(shí)，說(shuō)明溫度已達(dá)到所需要恒溫。
4）觀察玻璃水套上的溫度計(jì)，若其讀數(shù)與恒溫器上的溫度計(jì)及電接點(diǎn)溫度計(jì)標(biāo)定的溫度一致時(shí)（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(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，重復(fù)（2）～（4）即可。
3.加壓前的準(zhǔn)備：
因?yàn)閴毫ε_(tái)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(tái)抽油、充油的操作過(guò)程非常重要，若操作失誤，不但加不上壓力，還會(huì)損壞試驗(yàn)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(gè)閥門(mén)，開(kāi)啟壓力臺(tái)上油杯的進(jìn)油閥。
2）搖退壓力臺(tái)上的活塞螺桿，直至螺桿全部退出。這時(shí)，壓力臺(tái)油缸中抽滿了油。
3）先關(guān)閉油杯閥門(mén)，然后開(kāi)啟壓力表和進(jìn)入本體油路的兩個(gè)閥門(mén)。
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(mén)是否關(guān)好，壓力表及本體油路閥門(mén)是否開(kāi)啟。若均已調(diào)定后，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
4.作好實(shí)驗(yàn)的原始記錄：
1）設(shè)備數(shù)據(jù)記錄：儀器、儀表名稱、型號(hào)、規(guī)格、量程、精度。
2）常規(guī)數(shù)據(jù)記錄：室溫、大氣壓、實(shí)驗(yàn)環(huán)境情況等。
3）測(cè)定承壓玻璃管內(nèi)CO₂質(zhì)量不便測(cè)量，而玻璃管內(nèi)徑或截面積（A）又不易測(cè)準(zhǔn)，因而實(shí)驗(yàn)中采用間接辦法來(lái)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(shí)的比容V（20℃，9.8Mpa）=0.00117m³/kg。
B.實(shí)際測(cè)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)在20℃，9.8Mpa時(shí)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(cè)定低于臨界溫度t=20℃時(shí)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(kāi)始，當(dāng)玻璃管內(nèi)水銀柱升起來(lái)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(lái)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(duì)應(yīng)關(guān)系以及液化、汽化等現(xiàn)象。要將測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及觀察到的現(xiàn)象一并填入表1。
5）測(cè)定t=25℃、27℃時(shí)其飽和溫度和飽和壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
6.測(cè)定臨界參數(shù)，并觀察臨界現(xiàn)象。
1）按上述方法和步驟測(cè)出臨界等溫線，并在該曲線的拐點(diǎn)處找出臨界壓力p_c和臨界比容v_c，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(shí)，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(shí)汽液的相互轉(zhuǎn)變不是象臨界溫度以下時(shí)那樣逐漸積累，需要一定的時(shí)間，表現(xiàn)為漸變過(guò)程，而這時(shí)當(dāng)壓力稍在變化時(shí)，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(shí)CO₂是氣態(tài)還是液態(tài)。如果說(shuō)它是氣體，那么，這個(gè)氣體是接近液態(tài)的氣體；如果說(shuō)它是液體，那么，這個(gè)液體又是接近氣態(tài)的液體。下面就來(lái)用實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)結(jié)論。因?yàn)檫@時(shí)處于臨界溫度下，如果按等溫線過(guò)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(guò)程來(lái)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(shuō)，如果這時(shí)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(shuō)是接近液態(tài)的氣體；當(dāng)我們?cè)谂蛎浿�，突然壓縮CO₂時(shí)，這個(gè)液面又立即消失了。這就告訴我們，這時(shí)CO₂液體離氣區(qū)也是非常接近的，可以說(shuō)是接近氣態(tài)的液體。既然，此時(shí)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。可以這樣說(shuō)：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(cè)定高于臨界溫度t=50℃時(shí)的定溫線。將數(shù)據(jù)填入原始記錄表1。
五、實(shí)驗(yàn)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(huà)出三條等溫線。
2.將實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)得的飽和溫度與壓力的對(duì)應(yīng)值與圖四給出的t_s-p_s曲線相比較。
CO₂等溫實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)所需時(shí)間

分鐘分鐘分鐘

圖三標(biāo)準(zhǔn)曲線

4.將實(shí)驗(yàn)測(cè)定的臨界比容V_c與理論計(jì)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V_c[m³/Kg] 表2

標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)驗(yàn)值 V_c=RT_c/P_c V_c=3/8 RT/P_c

0.00216

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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




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