工程热力学实验指导书(1).doc

工程热力学

二氧化碳临界状态观测及P-V-T关系

一、实验目的
1、了解CO2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。
2、增加对课堂所讲的工质热力状态、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，学会用实验测定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，并与标准实验曲线及理论计算值相比较，并分析其差异原因。
2测定CO2在低于临界温度（t=20℃、27℃）时饱和温度和饱和压力之间的对应关系，并与图四中的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）气液整体相变现象。
（3）测定CO2的pc、vc、tc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的理论值相比教，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大部分组成（如图一所示）。

图一 试验台系统图

图二 试验台本体
试验台本体如图二所示。其中1—高压容器；2—玻璃杯；3—压力机；4—水银；5—密封填料；6—填料压盖；7—恒温水套；8—承压玻璃杯；9—CO2空间；10—温度计。、
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由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，其压力和容器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，并考虑水银柱高度的修正）。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内二氧化碳柱的高度来测量，而后再根据承压玻璃管内径均匀、截面不变等条件来换算得出。
四、实验步骤
1、按图一装好实验设备，并开启实验本体上的日光灯。
2、恒温器准备及温度调节：
（1）、入恒温器内，注至离盖30～50mm。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，使凸轮上端面与锁要调定的温度一致，再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要恒温。
（4）、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。
（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：
因为压力台的油缸容量比容器容量小，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。若均已调定后，即可进行实验。
4、作好实验的原始记录：
（1）设备数据记录：
仪器、仪表名称、型号、规格、量程、精度。
（2）常规数据记录：
室温、大气压、实验环境情况等。
（3）测定承压玻璃管内CO2质量不便测量，而玻璃管内径或截面积（A）又不易测准，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与其高度是一种线性关系。具体方法如下：
a）已知CO2液体20℃，9.8MPa时的比容V（20℃，9.8Mpa）=0.00117m3/㎏。
b）实际测定实验台在20℃，9.8Mpa时的CO2液柱高度Δh0（m）。（注意玻璃管水套上刻度的标记方法）
c）∵V（20℃，9.8Mpa）=
∴
其中：K——即为玻璃管内CO2的质面比常数。
所以，任意温度、压力下CO2的比容为：
（m3/kg）
式中，Δh=h-h0
h——任意温度、压力下水银柱高度。
h0——承压玻璃管内径顶端刻度。
5、测定低于临界温度t=20℃时的定温线。
（1）将恒温器调定在t=20℃，并保持恒温。
（2）压力从4.41Mpa开始，当玻璃管内水银柱升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证定温条件。否则，将来不及平衡，使读数不准。
（3）按照适当的压力间隔取h值，直至压力p=9.8MPa。
（4）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现象一并填入表1。
（5）测定t=20℃、27℃时其饱和温度和饱和压力的对应关系。
6、测定临界参数，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、液两相模糊不清的现象
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。因为这时处于临界温度下，如果按等温线过程进行，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，可以说是接近气态的液体。既然，此时的CO2既接近气态，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，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℃时的定温线。将数据填入原始记录表1。

五、实验报告要求
1、按表1的数据，如图三在p-v坐标系中画出三条等温线。
2、将实验测得得等温线与图三所示的标准等温线比较，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压力的对应值与图四给出的ts-ps曲线相比较。
4、将实验测定的临界比容Vc与理论计算值一并填入表1，并分析它们之间的差异及其原因。

临界比容Vc[m3/Kg] 表1
标准值
实验值
Vc=RTc/Pc
Vc=
0.00216

CO2等温实验原始记录表

t=20℃
t=31.1℃（临界）
t=50℃
p
(Mpa)
Δh
v=Δh/K
现象
p
(Mpa)
Δh
v=Δh/K
现象
p
(Mpa)
Δh
v=Δh/K
现象

进行等温线实验所需时间
分钟
分钟
分钟

图三 标准曲线

图 四 CO2饱和温度和压力关系曲线

气体定压比热测定实验

气体定压比热的测定是工程热力学的基本实验之一。实验中涉及温度、压力、热量（电功）、流量等基本量的测量；计算中用到比热及混合气体（混空气）方面的知识。本实验的目的是增加热物性研究方面的感性认识，促使理论联系实际，以利于培养同学分析问题和解决问题的能力。
一、实验目的和要求
1. 了解气体比热测定装置的基本原理和构思。
2. 熟悉本实验中的测温、测压、测热、测流量的方法。
3. 掌握由基本数据计算出比热值和求得比热公式的方法。
4. 分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。
二、实验装置和原理
装置由风机、流量计、比热仪主体、电功率调节及测量系统等四部分组成（如图一所示）。

图一 实验装置
比热仪主体如图二所示。
实验时，被测空气（也可以时其它空气）由风机经流量计送入比热仪主体，经加热、均流、旋流、混流后流出。在此过程中，分别测定：空气在流量计出口处的干、湿球温度（t0，tw）；气体经比热仪主体的进出口温度（t1，t2）；气体的体积流量（V）；电热器的输入功率（W）；以及实验时相应的大气压（B）和流量计出口处的表压（Δh）。有了这些数据，并查用相应的物性参数，即可计算出被测气体的定压比热（Cpm）。
气体的流量由节流阀控制，气体出口温度由输入电热器的功率来调节。
本比热仪可测300℃以下的定压比热。

图二 比热仪主体

三、实验步骤和数据处理
1. 接通电源及测量仪表，选择所需的出口温度计插入混流网的凹槽中。
2. 摘下流量计上的温度计，开动风机，
调节节流阀，使流量保持在额定值附近。测出流量计出口空气的干球温度（t0）和湿球温度（tw）。
3. 将温度计插回流量计，调节流量，使它保持在额定值附近。逐渐提高电热器功率，使出口温度升高至预计温度
[可以根据下式预先估计所需电功率：
式中：W为电热器输入电功率（瓦）；
Δt为进出口温度差（℃）；
τ为每流过10升空气所需的时间（秒）。]
4. 待出口温度稳定后（出口温度在10分钟之内无变化或有微小起伏，即可视为稳定），读出下列数据，每10升空气通过流量计所需时间（τ,秒）；比热仪进口温度——即流量计的出口温度（t1,℃）和出口温度（t2℃）；当时相应的大气压力（B，毫米汞柱）和流量计出口处的表压（Δh，毫米汞柱）；电热器的输入功率（W，瓦）。
5. 根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度,从湿空气的干湿图查出含湿量(d,克/公斤干空气)，并根据下式计算出水蒸气的容积成分：

6. 根据电热器消耗的电功率，可算出电热器单位时间放出的热量：
千卡/秒
7. 干空气流量（质理流量）为：
公斤/秒
8. 水蒸气流量为：
公斤/秒
9. 水蒸气吸收的热量：
千卡/秒
10. 干空气的定压比热为：
千卡/（公斤·℃）
11. 计算举例
某一稳定工况的实测参数如下：
t0=8℃； tw=7.5℃； B=748.0毫米汞贡柱
t1=8℃； t2=240.3℃； τ=69.96 秒/10升；
Δh=16 毫米汞柱; W=41.84千瓦
查干湿图得 d=6.3克/公斤干空气（ψ=94%）

千卡/秒
公斤/秒
公斤/秒
千卡/秒
千卡/（公斤·℃）
12. 比热随温度的变化关系
假定在0—300℃之间，空气的真实定压比热与温度之间近似地有线性关系，则由t1到t2的平均比热为：

因此，若以 为横坐标， 为纵坐标（如图三），则可根据不同的温度范围内的平均比热确定截距a和斜率b，从而得出比热随温度变化的计算式。

图 三

四、注意事项
1. 切勿在无气流通过的情况下使电热器投入工作，以免引起局部过热而损坏比热仪主体。
2. 输入电热器的电压不得超过220伏。气体出口最高温度不得超过300℃。
3. 加热和冷却要缓慢进行，防止温度计和比热仪主体因温度骤增骤降而破裂。
4. 停止试验时，应切断电热器，让风机继续运行十五分钟左右（温度教低时可适当缩短）。
实验数据记录：
当地大气压： 流量计出口压力：
序号
进口温度

出口温度

湿球温度

加热功率
W
时间
s
1

2

3

4

五、实验报告要求
1、计算四个状态下的比热值，将主要步骤和结果写在实验报告上。
2、绘坐标图并用最小二乘法确定比热表达式。