实验3_二氧化碳气体P-V-T关系的测定.pdf

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co?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CO?的PT-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。4.学会活塞式压力计，恒温器的热工仪器的正确使用方法。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PV图上绘制出t为20、3 1.1、40三条等温曲线。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。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.水蒸气的基本感念(1)蒸发、沸腾汽化是物质由液相变成气相的现象。蒸发是只在液体表面发生的缓慢的汽化现象。沸腾是在液体表面和内部同时发生的剧烈的汽化现象。(2)凝结物质山汽态转变为液态的过程。凝结的速度取决于空间蒸汽的压力。(3)饱和状态液相气相动态平衡状态2.水蒸汽的发生过程(1)饱和温度和饱和压力：处于饱和状态的汽、液温度相同，称为饱和温度ts,蒸汽的压力称为饱和压力ps ts上升，ps上升；ps上升，ts上升。结论：一定的饱和温度对应于一定的饱和压力，反之也成立，即两者间存在单值关系。3.水的定压加热过程F 2出过耕蒸汽状态未饱和水状态 饱和水状态 湿饱和蒸汽状态 干饱和蒸汽状态水的预热阶段饱和水的汽化阶段过热阶段水蒸汽的定压生成过程4.水蒸汽定压生成过程中热量的计算 水的定压预热阶段液体热 ql=h hn k J/kg饱和水的定压汽化过程汽化潜热r=h h kJ/kg过热热量 p=/(J)三、水蒸气的p-v图和T-s画 分析水蒸气的相变图线可见，上、下界线表明了水汽化的始末界线，二者统称饱和曲线它把P-V 和T-S图分为三个区域，即液态区（下界线左侧）、湿蒸汽区（饱和曲线内）、汽态区（上界线右侧）。此外，习惯上常把压力高于临界点的临界温度线作为“永久”气体与液体的分界线。所以，水蒸气 的相变图线，可以总结为一点（临界点）、二线（上界线、下界线）、三区（液态区、湿蒸汽区、气态 区）五态（和水状态、饱和水状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态、过热蒸汽 四、水蒸气的饱和状态饱和状态一饱和区内，饱和水和饱和水蒸气共存的平衡状态。在饱和状态下，饱和水与饱和水蒸气的平衡是动态的平衡。饱和温度与饱和压力之间有确定的对应关系。压力越高，饱和温度也越高。如，p=0.0108kPa 时，ts=O;当 p=101.3 25 kPa 时，ts=100。ts 和 ps 之间的关系，由实 验或经验公式确定。由于饱和区内的湿饱和蒸汽的温度ts与压力ps具有一定的函数关系，所以两者只能作为一 个独立参数。要确定湿饱和蒸汽的状态，还须另一个独立参数，一般采用“干度”作为参数，但也可以是其它的状态参数，如焰、炳、比体积中的任何一个。干度x湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，/v/V+/w由于湿饱和蒸汽实质上是干饱和蒸汽与饱和水的混合物，因此其热力学能、焰、帽及容积可 表示为XHx=+Sv=S+SI=广+厂”引入干度的关系式，可得/,=(1-X)+.=+.(“一)h、=(1 x)hr 4-xhf，=h+xh h)=h+xLsx=(1-.v)s+.vs,=s+x(sr-s)Vv=(1 .V)】，+.V】=V*+-vr)即，如已知湿饱和蒸汽干度X,即可利用饱和水及干饱和蒸汽的状态参数，求得湿饱和蒸汽 的相应状态参数的数值。1.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：p+(V Z?)=RT(3-2)V式中：a/v2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：pv-(bp+RT)v 2 av-ab=0(32)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C02做试验说明了这个现象，他在各种温度下定温压缩C02并测定p与 v,得到了 PV图上一些等温线，如图21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=3 1.1时;而p=氏时，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 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。本实验根据范德瓦尔方程，采用等温的方法来测定二氧化碳之间的关系，从而找出实 际气体二氧化碳的关系。(1).实验中由压力台送来的压力油进入高压容器和玻璃杯的上部，迫使水银进入预先 装了二氧化碳气体的承压玻璃管。二氧化碳气体被压缩，其压力和容积通过压力台上的活塞 螺杆的进、退来调节，温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。(2).实验工质二氧化碳的压力由装在压力台上的压力表读出。温度山插在恒温水套中 PS)的温度计读出。比体积通过C02的高度来用间接方法度量。(3)维持温度不变，测定比体积与压力的对应数值，就可得到等温线的数据。在不同 温度下对二氧化碳气体进行压缩，将此过程画在pv图上，可得到的二氧化碳p-vT关 系曲线。当温度低于临界温度b时，该二氧化碳实际气体的等温线有气液相变的直线段。随着温度的升高，相变过程的直线段逐渐缩短。当温度增加到临界温度时，饱和液体和饱和 气体之间的界限已完全消失，呈现出模糊状态，称为临界状态。二氧化碳的临界压力per 为7.3 8MPa,临界温度ter为3 1.1。在p-v图上，临界温度等温线在临界点上既是驻点，又是拐点。临界温度以上的等温线也具有拐点，直到4 8.才成为均匀的曲线。(4)利用质面比常数值间接测量二氧化碳的比体积由于充进承压玻璃管内二氧化碳的质量不便测量，而玻璃管内径或截面积()又不易 测准，因而实验中是采用间接的方法来确定二氧化碳的比体积，认为二氧化碳的比体积与其 高度是一种线性关系，具体如下方法：已知二氧化碳液体在,lOOat时的比体积a)已知 CO2 的液体在 20,lOOata 时的比容。v(20 lOOata)=0.00117m7mgob)如前操作实地测出本试验台C02的液体在20,lOOata时时的CO2液柱高度Ah(m)(注 意玻璃水套上刻度的标记方法)。c)山 a 可知v(20 lOOata)=0.00117m3/nigme m A h 2-=-=K(kg lm)A 0.00117那么任意温度，压力下C02的比容为：h-h Q A h 3 v=-=-(m/kg)tn!A k式中 Ah=h-hoh一任意温度，压力下水银往高度mm,ho一承压玻璃管内径顶端刻度mm。在低于临界温度时，实际气体的等温线有气液相变的直线段，而理想气体的等温线是正 双曲线，任何时候也不会出现直线段。只有在临界温度以上，实际气体的等温线才逐渐接近 理想气体的等温线。所以理想气体的理论不能解释实际气体的气液两相转变及临界状态。1)临界乳光现象将水温加热到临界温度(31.1)并保持温度不变，摇进压力台上的活塞螺杆使压力升 至上7.8MPa附近出，然后摇退活塞螺杆(注意勿使实验本体晃动)降压，在此瞬间玻璃管 内将出现园锥状的乳白色的闪光现象，这就是临界乳光现象。这是由于二氧化碳分子受重力 场作用沿高度分布不均和光的散射所造成的，可以反复几次，来观察这一现象。2)整体相 变现象2)整体相变现象由于在临界点时，气化潜热等于零，饱和气相线和饱和液相线合于一点，所以这时气液 的相互转化不是像临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为一个渐变的过程，而这时当压力稍有变化时，气、液是以突变的形式互相转化的。3）汽、液两相模糊不清的现象处于临界点的二氧化碳具有共同的参数，因而仅凭参数是不能区分此时二氧化碳是气体 还是液体，如果说它是气体，那么这个气体是接近了液态的气体，如果说它是液体，那么这 个液体是接近了气态的液体。下面就用实验来验证这个结论。因为这时是处于临界温度下,如果按等温线过程进行来使二氧化碳压缩或膨胀，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78at附近，突然降压，二氧化碳状态点山等温线沿绝热 线降到液态区，管内二氧化碳出现了明显的液面，这就说明，如果这时管内二氧化碳是气体 的话，那么这种气体离液区很接近可以说是接近了液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压 缩二氧化碳时，这个液面又立即消失了，这就告诉我们，此时的二氧化碳液体离气区也是非 常近的，可以说是接近了气态的液体。既然此时的二氧化碳既接近气态又接近液态，所以,只能处于临界点附近。可以说，临界状态究竟如何，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。四、实验装置、流程和试剂整个实验装置山压力台、恒温器和实验台本体及其防护罩等三大部分组成（如图1所K严?恒温水浴图1.试验台系统简图图2.试验台本体实验中，由压力台油缸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 装由高纯度的CO2气体的承压玻璃管（毛细管），CO2被压缩，其压力和容积通过压力台上 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调节，水套的恒温水山恒温浴 供给。CO2的压力由装在压力台上的精密压力表读出（注意：绝压=表压+大气压），温度由插 在恒温水套中的温度计读出，比容山CO2柱的高度除以质面比常数计算得到。试剂：高纯度二氧化碳。五、实验步骤1、按图1装好实验设备。2、恒温器准备及温度调节：（1）、把水注入恒温器内，至离盖3050mm。检查并接通电路，启动水泵，使水循环 对流。（2）、把温度调节仪波段开关拨向调节，调节温度旋扭设置所要调定的温度，再将温度 调节仪波段开关拨向显示。（3）、视水温情况，开、关加热器，当水温未达到要调定的温度时，恒温器指示灯是亮 的，当指示灯时亮时灭闪动时，说明温度已达到所需要恒温。（4）、观察温度，其读数的温度点温度设定的温度一致时（或基本一致），则可（近似）认为承压玻璃管内的CO2的温度处于设定的温度。（5）、当所需要改变实验温度时，重复（2）（4）即可。3、加压前的准备：因为压力台的汕缸容量比容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器管充油，才 能在压力表显示压力读数。压力台抽汕、充汕的操作过程非常重要，若操作失误，不但加不 上压力，还会损坏试验设备。所以，务必认真掌握，其步骤如下：（1）关压力表及其进入本体汕路的两个阀门，开启压力台汕杯上的进汕阀。（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两个阀门。（4）摇进活塞螺杆，使本体充汕。如此交复，直至压力表上有压力读数为止。（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、测定承压玻璃管（毛细管）内C02的质面比常数K值由于承压玻璃管（毛细管）内CO?质量不便测量，承压玻璃管（毛细管）内径或截 面积（A）又不易测准。本实验采用间接办法来确定CO?的比容。假定承压玻璃管（毛 细管）内径均匀一致，CO?的比容与其高度成正比。具体方法如下：（1）由文献,纯C02液体在25,7.8MPa时的比容垢=0.00124 m3/kg。（2）实际测定本装置在25,7.8MPa（表压大约为7.7 MPa）时一，CO2柱高度A hO=hO-h5（m）o式中，hO承压玻璃管（毛细管）内径顶端的刻度，h，25,7.8MPa 下水银柱上端液面刻度。（3）如m：CO2质量（kg）,A：承压玻璃管（毛细管）截面积（m2）,h：测量温度 下水银柱上端液面刻度（m）,K：玻璃管内CO2的质面比常数（kg/m2）,则25,7.8MPa下的比容：h A,0 3-=0.00 1 24 m I kg v=mm A A K=-质面比常数 A 000124所以，任意温度、压力下CO2的比容为：A h A h y-m 1A k（m3/kg）式中，h=hO-hh任意温度、压力下水银柱高度。5、测定低于临界温度t=25时的等温线。（1）将恒温器调定在t=25,并保持恒温。（2）逐渐增加压力，压力在4.4 0Mpa左右（毛细管下部出现水银液面）开始读取相应 水银柱上液面刻度，记录第一个数据点。读取数据前，一定要有足够的平衡时间，保证温度、压力和水银柱高度恒定。（3）提高压力约0.3 MPa,达到平衡时，读取相应水银柱上液面刻度，记录第二个数据 点。注意加压时，应足够缓慢地摇进活塞杆，以保证定温条件，水银柱高度应稳定在一定数 值上，不发生波动时再读数。（4）提高压力约0.3 MPa左右，逐次提高压力，测量第三、第四.数据点，当出现 第一小滴CO2液体时，则适当降低压力，平衡一段时间，使CO2温度和压力恒定，以准确 读出恰好出现第一小液滴时的压力。（5）注意此阶段，压力改变后CO?状态的变化，特别是测准出现第一液滴时的压力和 相应水银柱高度以及最后一个C02小气泡刚消失时的压力和相应的水银柱高度。此两点压 力应接近相等，要交替进行升压和降压操作，压力按出现第一小液滴和最后一个气泡消失的 具体条件进行调节。（6）当C02全部液化后，继续按压力间隔0.3 MPa左右升压，直到压力达到8.0MPa为 止。6、测定临界等温线和临界参数，并观察临界现象。（1）将恒温水浴调至3 1.1C,按上述方法和步骤测出临界等温线，注意在曲线的拐点（7.3 76MPa）附近，应缓慢调节压力（调节间隔可在0.05MPa）,较准确地确定临界压力和 临界比容，较准确地描绘出临界等温线上的拐点。（2）观察临界现象。1）临界乳光现象保持临界温度不变，摇进活塞杆使压力升至已附近处，然后突然摇退活塞杆（注意,勿使试验台本体晃动）降压，在此瞬间玻璃管内将出现圆锥形的乳白色的闪光现象，这就是 临界乳光现象。这是山于CO2分子重力作用沿高度分布不均和光的散射所造成的。可以反 复几次观察这个现象。2）整体相变现象由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和蒸汽线和饱和液相线接近合于一点。这时汽液 的相互转变不是像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 时当压力稍有变化时，汽液是以突变的形式相互转化。3）汽液两相模糊不清的现象处于临界点的CO?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。处于临界温度附近，如果按等温线过程，使CO?压缩或膨胀，则管内是 什么也看不到的。现在，按绝热过程来进行。先调节压力等于7.4 Mpa（临界压力）附近，突然降压（由于压力很快下降，毛细管内的CO?未能与外界进行充分的热交换，其温度下 降），CO?状态点不是沿等温线，而是沿绝热线降到二相区，管内CO2出现明显的液面。这 就是说，如果这时管内的C02是气体的话，那么，这种气体离液相区很接近，是接近液态 的气体；当膨胀之后，突然压缩C02时，这个液面又立即消失了。这就告诉我们，这时C02 液体离汽相区也很接近，是接近气态的液体。此时CO?既接近气态，又接近液态，所以只 能是处于临界点附近。临界状态的流体是一种汽液分不清的流体。这就是临界点附近汽液模 糊不清的现象。7、测定iWi于临界温度（t=4 0）时的定温线。将恒温水浴调至40,按上述方法和步骤测出临界等温线 六、实验记录实验数据记录表T=20t=3 1.1(临界)t=3 5P(MP )hmmu X 10 J/m 3/kg现 象P(叫)hmmy x 10 3/航3 1kg现 象P(MP“)hmmy x 10 /kg现 象4.414.414.415555.65.65.66.26.26.26.86.86.87.47.47.48七、实验数据处理1.按25,7.8MPa时C02液柱高度，计算承压玻璃管内C02的质面比常数K值。2.按表1数据计算不同压力下的C02体积，计算结果列表2o3.按表2三种温度下C02PVT数据在PV坐标上画出三条PV等温线。4.估算25。下C02的饱和蒸汽压，并与Antoine方程计算结果比较。5.按表3计算的C02的临界比容VC(m3/kg),并与由临界温度下的PV等温线实验值比较。八、实验结果和讨论1.实验结果绘出实验数据处理结果，并进行说明。2.讨论(1)试分析实验误差和引起误差的原因；(2)指出实验操作应注意的问题。3.思考题(1)质面比常数K值对实验结果有何影响？为什么？(2)为什么的测量25下的等温线时，出现第一小液滴的压力和最后一个小气泡将消失 时的压力应相等(试用相律分析)？九、注意事项1.实验压力不能超过8.0MPa,实验温度不能超过45。2.应缓慢摇进活塞螺杆，否则来不及平衡，难以保证恒温恒压条件。3.一般按压力间隔0.3 MPa左右升压。但在将要出现液相，存在气液两相和气象将完全消 失以及接近临界点的情况下，升压间隔要很小，升压速度要缓慢。严格讲，温度一定是，在 气液两相同时存在的情况下，压力应保持不变。4.准确测定25,7.8MPa下CO2液柱高度4 hO。准确测出25下出现第一小液滴的压力 和体积（高度）和最后一个小气泡将消失时的压力和体积（高度）。5.压力表读得的读数是表压，数据处理时应按绝对压力。2.列数据表及绘制P-V图。实验数据计算整理后，绘制出实验中CO?气体P-V的关系图。参考C02气体标准P-V的 关系图。图3一1二氧化碳的P-V-t关系十、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。H一、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汕杯阀门。