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二氧化碳P-V-t关系实验仪说明书

2018-04-07 14:03 点击:

一、实验目的
1.了解CO2临界状态观测方法,增加对临界状态概念的感性认识。
2.加深对课堂所讲的公质热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。
3.掌握CO2的P-V-T关系的测定方法,学会用实际气体状态变化规律的方法和技巧。
4.学会活塞式压力计,恒温器等热工仪器的正确使用方法。
二、实验内容
1.测定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,并与图3中标准实验曲线及理论计算值相比较,并分析差异原因。
2.测定CO2低于临界温度时(t=25℃、27℃)饱和温度与饱和压力之间的对应关系,并与图4中的ts-Ps曲线比较。
3.观测临界状态
(1)临界状态附近气液两相模糊的现象
(2)汽液整体相变现象
(3)测定的CO2的tc、Rc、vc等临界参数,并将实验所得的Vc值与理想气体状态方程和范德瓦尔方程理论值相比较,简述其差异原因。
三、实验设备及原理
   整个实验装置由压力台、恒温器和实验台本体及其防护罩等三部分组成(图1)。
试验台本体如图2所示。
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       (1)
或                   T=f(P,V)
本实验根据公式(1),采用定温方法测定CO2的P-V之间的关系,从而找出CO2的P-V-T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,CO2被压缩,其压力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。
实验工质二氧化碳的压力,由装在压力台上的压力表读出(如要提高精度,可由加在活塞转盘上的平衡砝码读出,并考虑水银高度的修正)。温度由插在恒温水套中的温度计读出。比容首先由承压玻璃管二氧化谈碳柱的高度来测量,而后得根据承压玻璃管内径均匀、截面不变等条件换算得出。
 

四、实验步骤
(一)恒温器准备及温度调节
1.按图1装好实验设备,并开启实验台本体上的白色灯。
2.将蒸馏水注入恒温器内,注意离盖30-50mm,检查并接通电路,开动水泵,使水循环流动。
3.设定调温器控制温度。
4.旋转电接点温度计顶端帽形磁铁,并用横向螺钉紧锁,以防转动。
5.视水温情况,开、关加热器,当水温未达到预先调定的温度时,恒温器的指示灯是亮的,当指示灯时亮时灭时,说明温度已达到所需恒温。
6.观察玻璃水套上的温度计,若其读数与恒温器上的温度计及电接点温度计标定的温度一致时(或基本一致),则可(近似)认为承压玻璃管内的CO2的温度处于所标定的温度。
当需要改变实验温度时,重复(3)-(6)步骤即可。
(二)加压前的准备
因为压力台的油缸容量比主容器容量小,需要多次从油杯里抽油,再向主容器充油,才能在压力表上显示压力读数。压力台抽油,充油的操作过程非常重要,若操作失调,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两个阀门,开启压力台上的油杯的进油阀。
2.摇退压力台上的活塞螺杆,直至螺杆全部退出,此时,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两个阀门。
4.摇动活塞螺杆,使本体充油,如此反复,直至压力表上有压力读数为止。
5.再次检查抽油杯阀门是否关好,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。
(三)记录实验数据
1.记录实验所用仪器、仪表名称、型号、规格、量程、精度。
2.记录室温、大气压、实验环境情况等。
3.测定承压玻璃管内CO2的质面比常数k值。
由于充进承压玻璃管内的CO2质量不便测量,而玻璃管内径或截面积(A)又不易测定,因而实验中采用间接办法来确定CO2的比容,认为CO2的比容v与其高度是一直线性关系。具体方法如下:
已知CO2液体在20℃,9.8MPa时的比容v(20℃,9.8MPa)=0.00117m3/kg,实验测定实验台在20℃,9.8MPa时的CO2液体高度△ho(m),(注意玻璃水套上刻度的标记方法)
∵v(20℃,9.8MPa)=△ho·A/m=0.00117m3/kg
       ∴m/A=△ho/0.00117=K(kg/m2)
    
       式中:△h=h-ho
h—任意温度、压力下水银柱高度
ho—承压玻璃管内径顶端刻度
4.测定低于临界温度t=20℃时的定温线
将恒温器调定在t=20℃,并保持恒温压力从4.41MPa开始,当玻璃管内水银升起来后,将足够缓慢地进活塞螺杆,以保证定温条件。否则,将来不及平衡,使读数不准。
按照适当地压力间隔取h值,直至压力P=9.8MPa。
注意加压后CO2的变化,特别是注意饱和压力和饱和温度之间的对应关系以及液化、汽化等现象。要将测得的实验数据及观察到的实验现象一并填入表1。
5.测定t=25℃,t=27℃时其饱和温度和饱和压力的对应关系。
6、测定临界等温线和临界参数,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,并将数据填入表1。
(2)观察临界现象
a)整体相变现象
由于在临界点时,汽化潜热等于零,饱和汽线和饱和液线合于一点,所以这时汽液的相互转变不是象临界温度以下时那样逐渐积累,需要一定的时间,表现为渐变过程,而这时当压力稍在变化时,汽、液是以突变的形式相互转化。
b)汽、液两相模糊不清现象
处于临界点的CO2具有共同参数(P,V,t)因而不能区别此时CO2是气态还是液态。如果说它是气体,那么,这个气体是接近液态的气体;如果说它是液体,那么,这个液体又是接近气态的液体。下面,就来用实验证明这个结论。因为这时是处于临界温度下,如果按等温线过程来进行,使CO2压缩或膨胀,那么,管内是什么也看不到的。现在,我们按绝热过程来进行。首先在压力等于7.64Mpa附近,突然降压,CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区,管内CO2出现了明显的液面。这就是说,如果这时管内的CO2是气体的话,那么,这种气体离液区很接近,可以说是接近液态的气体;当我们在膨胀之后,突然压缩CO2时,这个液面又立即消失了。这就告诉我们,这时CO2液体离气区也是非常接近的,可以说是接近汽态的液体。既然,此时的CO2既接近汽态,又接近液态,所以能处于临界点附近。可以这样说:临界状态究竟如何,就是饱和汽、液分不清。这就是临界点附近,饱和汽、液模糊不清的现象。
7、测定高于临界温度t=50℃时的等温线。将数据填入原始记录表1。
CO2等温实验原始记录
t=20℃ t=31.1℃(临界) t=50℃
P
(Mpa)
△h V=
△h /K

P
(Mpa)
△h V=
△h /K

P
(Mpa)
△h V=
△h /K

                       
                       
                       
                       
进行等温线实验所需时间
分钟 分钟 分钟
五、实验结果处理与分析
1.按表1的数据,在P-V座标系中, 画出三条等温线。
2.将实验测得到的等温线与已知图3的标准等温线比较,并分析它们之间的差异及原因。
3.将实验测得的饱和温度与饱和压力的对应值与已知图4的ts-Ps曲线相比较。
4.将实验测定的临界比容vc与理论计算值均填入表2,并分析它们之间的差异及原因。
表2                            临界比容vc(m2/kg)

标准值 实验值 Vc=RT/Pc Vc=3/8 RT/Pc
0.00216        
图三 标准曲线