实验二、二氧化碳PVT实验指导书.doc

实验课程： 热工基础实验
实验二： 二氧化碳PVT实验 (未完成预习报告预习分不及格)
一． 实验目的
1． 观测 CO2 临界状态现象，增加对临界状态概念的感性认识；
2． 加深对纯流体热力学状态：汽化、冷凝、饱和态和超临流体等基本概念的理解；测定 CO2 的PVT 数据，在PV 图上绘出CO2 等温线
3． 掌握低温恒温浴和活塞式压力计的使用方法。
二．实验原理
　 　 　 纯物质的临界点表示汽液二相平衡共存的最高温度（TC）和最高压力点（PC）。纯物质所处的温度高于TC，则不存在液相；压力高于PC，则不存在汽相；同时高于TC 和PC，则为超临界区。本实验测量T<TC，T = TC 和T>TC 三种温度条件下等温线。其中T<TC 等温线，
为一光滑曲线；T = TC 等温线，在临界压力附近有一水平拐点，并出现汽液不分现象；T<TC等温线，分为三段，中间一水平段为汽液共存区。对纯流体处于平衡态时，其状态参数P、V 和T 存在以下关系：F(P,V,T) = 0 或 V = f (P,T)由相律，纯流体，在单相区，自由度为2，当温度一定时，体积随压力而变化；在二相区，自由度为1，温度一定时，压力一定，仅体积发生变化。本实验就是利用定温的方法测定CO2 的P 和V 之间的关系，获得CO2 的P-V-T 数据。
三．实验装置流程和试剂
实验装置由试验台本体、压力台和恒温浴组成（图 2-3-1）。试验台本体如图2-3-2 所示。实验装置实物图见图2-3-3。
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有高纯度的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。温度由恒温水套的水温调节，水套的恒温水由恒温浴供给。
CO2 的压力由压力台上的精密压力表读出，温度由水套内精密温度计读出。比容由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。

图 2-3-1 CO2 PVT 关系实验装置 图2-3-2 试验台本体
1.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-CO210-精密温度计

四、实验操作步骤
1．按图2-3-1 装好试验设备。
2．接通恒温浴电源，调节恒温水到所要求的实验温度（以恒温水套内精密温度计为准）。
3．加压前的准备——抽油充油操作
（1）关闭压力表下部阀门和进入本体油路的阀门，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。此时压力台上油筒中抽满了油。
（3）先关闭油杯的进油阀，然后开启压力表下部阀门和进入本体油路的阀门。
（4）摇进活塞杆，使本体充油。直至压力表上有压力读数显示，毛细管下部出现水银为止。
（5）如活塞杆已摇进到头，压力表上还无压力读数显示，毛细管下部未出现水银，则重复
（1）--（4）步骤。
（6）再次检查油杯的进油阀是否关闭，压力表及其进入本体油路的二个阀门是否开启。温
度是否达到所要求的实验温度。如条件均已调定，则可进行实验测定。
4．测定承压玻璃管(毛细管)内CO2 的质面比常数K 值
a)已知CO2溶液在20℃，100atm时的比容
V（20℃，8MPa）=0.001212m3/kg
b）实测本实验台CO2在20℃，100atm时的CO2液柱高度Δh*(m)（注意玻璃水套上刻度的标记方法）。
c)由a)可知： 因为V（20℃，8MPa）=Δh*/m=0.001212m3/kg，所以

则任意温度、压力下CO2的比容为

式中：Δh=h-h0
h —任意温度、压力下的水银柱高度
h0—承压玻璃管内径顶端刻度
实验中应注意：
做各条定温线时，实验压力P≤８MPa，否则承压玻璃管有破裂的危险；实验温度t≤50 ℃。
5．测定低于临界温度下的等温线（T= 20℃或25℃）
（1）将恒温水套温度调至T= 20℃或25℃，并保持恒定。
（2）逐渐增加压力，压力为4.３MPa 左右开始读取相应水银柱上端液面刻度，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0.3MPa，达到平衡时，读取相应水银柱上端液面刻度，记录第二个数据点。注意加压时，应足够缓慢的摇进活塞杆，以保证定温条件，水银柱高度应稳定在一定数值，不发生波动时，再读数。
（4）按压力间隔0.3MPa 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，以准确读出恰出现第一小液滴CO2 时的压力。
（5）注意此阶段，压力改变后CO2 状态的变化，特别是测准出现第一小滴CO2 液体时的压力和相应水银柱高度及最后一个CO2 小汽泡刚消失时的压力和相应水银柱高度。此二点压力改变应很小，要交替进行升压和降压操作，压力应按出现第一小滴CO2 液体和最后一个CO2 小汽泡刚消失的具体条件进行调整。
（6）当CO2 全部液化后，继续按压力间隔0.3MPa 左右升压，直到压力达到8.0MPa 为止（承压玻璃管最大压力应小于8.0MPa）。
6．测定临界等温线和临界参数，观察临界现象
（1）将恒温水套温度调至T= 31.1℃，按上述5 的方法和步骤测出临界等温线，注意在曲线的拐点（P=7.376MPa）附近，应缓慢调整压力（调压间隔可为0.05MPa），以较准确的确定临界压力和临界比容，较准确的描绘出临界等温线上的拐点。
（2）观察临界现象
a. 临界乳光现象
　　 保持临界温度不变,摇进活塞杆使压力升至Pc 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型的乳白色的闪光现象,这就是临界乳光现象。这是由于CO2 分子受重力场作用沿高度分布不均和光的散射所造成的。可以反复几次观察这个现象。
b. 整体相变现象临界点附近时，汽化热接近于零，饱和蒸汽线与饱和液体线接近合于一点。此时汽液的相互转变不象临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为一个渐变过程；而是当压力稍有变化时，汽液是以突变的形式相互转化。
c. 汽液二相模糊不清现象
　 处于临界点附近的CO2 具有共同的参数（P，V，T），不能区别此时CO2 是汽态还是液态。如果说它是气体，那么，这气体是接近液态的气体；如果说它是液体，那么，这液体又是接近气态的液体。下面用实验证明这结论。因为此时是处于临界温度附近，如果按等温过程，使CO2 压缩或膨胀，则管内什么也看不到。现在，按绝热过程进行，先调节压力处于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CO2 未能与外界进行充分的热交换，其温度下降），CO2 状态点不是沿等温线，而是沿绝热线降到二相区，管内CO2 出现了明显的液面。这就是说，如果这时管内CO2 是气体的话，那么，这种气体离液相区很近，是接近液态的气体；当膨胀之后，突然压缩CO2 时，这液面又立即消失了。这就告诉我们，这时CO2 液体离汽相区也很近，是接近气态的液体。这时CO2 既接近气态，又接近液态，所以只能是处于临界点附近。临界状态流体是一种汽液不分的流体。这就是临界点附近汽液二相模糊不清现象。
7． 测定高于临界温度的等温线（T = ３５℃）
　 　 将恒温水套温度调至T=３５℃，按上述5 相同的方法和步骤进行。
五、 实验数据处理
根据本实验台中：h0=　 　　CO2在20℃，8MPa时CO2液柱高度△h= （ｃｍ）以及上式计算比容v（0.001212m3/kg），计算得质面比常数K=　 　 　 　 　 具体数据记录如下：
压强
20℃
31.1℃
3５℃
P/Mp
h/cm
△h/
cm
V/
m3/kg
现象
h/cm
△h/
cm
V/
m3/kg
现象
h/cm
△h/
cm
V/
m3/kg
现象
4.3

4.6

5

5.3

5.6

6

6.3

6.7

7

7.3

7.7

8

绘制三条P—Ｖ曲线图：

七．注意事项
1．实验压力不能超过8.0 MPa，实验温度不高于40℃。
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0.3MPa 左右升压。但在将要出现液相，存在汽液二相和汽相将完全
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
时,在汽液二相同时存在的情况下，压力应保持不变。
４．如要卸压，应慢慢退出活塞杆，使压力逐渐下降，执行升压操作过程的逆程序。
５．参照标准曲线绘制出=℃；=℃；=３５℃三条等温线，分析比较等温线的实验值与标准值之间的差异及其形成原因。
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