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天 津 大 学
热工基础与应用实验报告

学校院系 ：天津大学机械工程学院
指导教师 ： 刘 靖
学生姓名 ：
准考证号 ：

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
实际气体的状态方程很难确定，它可以用实验的方法得到状态参数图、表，可以根据图表计算系统的循环效率。这点可以参考水蒸汽的发生过程。实际气体随着温度、压力的变化，它的状态可以是液态、汽态，或汽液混合态。
所以，热力过程的分析与计算只能用热力学第一定律和热力学第二定律的基本方程。
由已知初态的两个独立参数（如 P，T），在蒸汽热力性质图表上查出各初态参数之值。
根据过程特征和未态的一已知参数，由蒸汽热力性质图表上查出未态参数值。
由查的得初，末态参数，应用热力学第一定律和热力学第二定律的基本方程计算△S
q, △h, △Sg , W, △u
热力学第一定律:
δq = du +δw = CvdT + pdv ------- 闭口系 (初终态)
δq = dh +δwt = CpdT – vdp ------- 稳流系 (进出口)
注意:
①式中各项的物理意义及各式的实用条件
②只要出现 CvdT、CpdT 就只适用于理想气体
只要出现 pdv、– vdp 就只适用于可逆过程
③δwt = d(Cf2 / 2)+ gdz + ws = – vdp

熵方程:
闭口系--- △S = Sf+Sg 对绝热系 △S = Sg≥ 0
稳流系---S2－S1= Sf－Sg 对绝热系 S2－S1= Sg≥ 0
熵增原理: △Siso= △S工质+∑△S外界 = Sg ≥ 0
＞0 不可逆； = 0 可逆； ＜0 不可能
功损失（因不可逆少作的功）: WL = W可逆- W不可逆
作功能力损失: I = T0 △Siso = T0 Sg
通常:WL＞I, 这是∵ WL加热工质使其温度高于环境
温度 T0 ，还有一定的作功能力，并未完全损失掉

1．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
或 t ＝ f (P，v) (1)
本实验就是根据式（1），采用定温方法来测定CO2的P—v—t之间的关系，从而找出CO2的P—v—t关系。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。

2. 实验中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来调节。

3 实验工质CO2的压力由装在压力台上的压力表读出。温度由插在恒温水套中的温度计读出。
4. 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：
（3-1）

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 :
（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。

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
实验时，由恒温器提供的恒温水，从 　　1－压缩室本体 2—活塞式压力计
实验台本体玻璃水套下端进口流入，上端　　　 3－恒温器
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。

l——高压容器， 2——玻璃杯；3——压力油： 4——水银， 5——密封填料： 6——填料压盖，7——恒温水套， 8——承压玻璃管，9——CO2空间， 10——温度计。

　五、实验步骤

1．按图一装好实验设备，并开启实验台本体上的日光灯。
2．使用恒温器调定温度。
(1) 将蒸馏水注入恒温器内，注至离盖30一50mm为止。检查并接通电路，开动电动泵，使水循环对流。
(2)旋转电接点温度计顶端的帽形磁铁调动凸轮示标使凸上端面与所要调定的温度一致，
要将帽形磁铁用横向螺钉锁紧，以防转动。
(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恒温。
(4)观察玻璃水套上两支温度计，若其读数相同且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(近视)认为承压玻璃管内的CO2的温度处于所标定的温
度。
(5)当需要改变实验温度时，重复(2)一(4)即可。
3．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，若操作失误，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)关压力表及其入本体油路的两个阀门，开启压力台上油杯的进油阀。
(2)摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出，这时压力台油缸中抽满了油。
(3)先关闭没杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。
(4)摇进活塞杆，给本体充油，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，若均已稳定，即可进行实验。
4. 实验中用Δh表示比容
因为v = V/m 式中：m---- CO2质量
V = A.h A---- 玻璃管截面积
由于CO2质量不变，截面积A不变，所以实验中可用高度h（即Δh）的变化表示比容的变化。
5. 实验中应注意以下几点：
（1）做各条定温线时，实验压力 p < 100MPa，实验温度< 50℃。
（2）一般取ｈ时压力间隔可取30~99ＭＰａ，但在接近饱和状态时和临界状态时，压力间隔就取5ＭＰａ。
（３）实验中取ｈ时，水银柱液面高度的读取要注意，应使视线与水银柱半圆形液面的中间对齐。
６．测定低于临界温度t =20℃时ｄｅ定温线。
（１）使用恒温器调定t =20℃并要保持恒温。
（２）压力记录从30ＭＰａ开始，当玻璃管内水银升起来后，应足够缓慢地摇起活塞杆，以保证定温条件，否则来不及平衡，读数不准。
（3）按照适当的压力间隔取h值至压力P＝99 MP
7．测定临界等温线，注意临界现象观察。
　　临界现象观察：
　　(1)整体突变现象
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，表现为一个渐变的过程，而这时当压力稍有变化时，汽液是以突变的形式相互转化。
(2)汽液两相模糊不清现象
处于临界点，CO２的汽相和液相具有共同参数(P、v、t)因而不能区别此时CO２是气还
是液态。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。那么这个液体又是接近气态的液体。下面就用实验来证明这个结论。因为这时是处于临界温度，如果按等温过程使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70Mａ附近，突然降至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，这就说明，如果这时管内的CO２是气体的话，那么这种气体离液区很近，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液体离气区是非常近的，可以说是接近气态的液体。即然此时的CO２即接近气态又接近液态，所以能处于临界点附近。可以这样说，临界状态究竟如何，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。

8．测定高于临界温度t＝40℃时的等温线，将数据填入表1。

表3-1实验数据记录表

t=20℃

t=31.1℃

t=40℃
表压P
Mpa
高度
h
观察现象
表压p
mpa
高度
h
观察现象
表压p
mpa
高度
h
观观察现象
30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

99

二氧化碳的Ｐ-Ｖ-t关系

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。
6．实验完毕将仪器擦净，恢复原状。 　

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，比容即：
Vco2(20℃，100ata)=
因为 (常数)
则任意情况下二氧化碳的比容：

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。