2012年热工学实践实验内容实验3 二氧化碳气体P-V-T 关系的测定一、实验目的1. 了解CO 2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 2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CO 2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1. 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：()RT b v v a p =-⎪⎭⎫ ⎝⎛+2 （3-1）式中: a / v 2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 : 0)(23=-++-ab av v RT bp pv（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CO 2做试验说明了这个现象，他在各种温度下定温压缩CO 2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 = p c 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。
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。
图3--1 二氧化碳的Ｐ-Ｖ-t关系四、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1－压缩室本体 2—活塞式压力计3－恒温器实验时，由恒温器提供的恒温水，从实验台本体玻璃水套下端进口流入，上端出口流出，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CO 2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CO 2气体压缩。
透过玻璃管可以看到气体的压缩过程。
CO 2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。
五、实验步骤1．首先恒温器接通电源，开动电力泵，使系统水进行循环对流。
2. 旋转电接点温度计的顶端幅形磁铁，调整实验中所规定的恒定温度。
3．开始加热，观察恒温器上精密温度计，若其温度计读数与电接点温度计标定的温度一致时，则可近似认为玻璃管中CO 2的温度处于标定的温度。
4. 开始加压，应缓缓地前进活塞螺杆加压，并注意观察CO 2受压后的各种现象。
5. 进行记录实验中的各种数据、状态。
6. 当需要改变温度时，重复上述步骤。
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。
图3—3 压缩室本体示意图6．实验完毕将仪器擦净，恢复原状。
1—玻璃毛细管 2—水银室 3—压力油室 4—温度计 5—恒温水套七、实验数据整理1．CO 2比容的确定 实验中由于CO 2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kg v m 300117.0即：v co2(20℃，100ata)=kg mdmA mh h 30000117.04=⨯=⨯π因为K A m h ==00117.00(常数)则任意情况下二氧化碳的比容： K hAm h V ==所以，只要在实验中测得t=20℃, p=100ata 时的h 0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CO 2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。
表3-1实验数据记录表t=20℃t=31.1℃ t=40℃表压 p 高度h观察现象表压p高度h观察现象表压p高度h观观察现象30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 99实验5 压气机性能实验活塞式压气机是通用的机械设备之一，其工作原理是消耗机械能（或电能）而获得压缩气体。
压气机的压缩指数和容积效率等都是衡量其性能先进与否的重要参数。
本实验是利用微机对压气机的有关性能参数进行实时动态采集，经计算处理、得到展开的和封闭的示功图。
从而获得压气机的平均压缩指数、容积效率、指示功、指示功率等性能参数。
一、实验目的1．掌握指示功、压缩指数和容积效率的基本测试方法；2．对使用微机采集、处理数据的全过程和方法有所了解。
二、实验装置及测量系统本实验仪器装置主要由：压气机、电动机及测试系统所组成。
测试系统包括：压力传感器、动态应变仪、放大器、计算机及打印机，见图5—1。
压气机型号：Z—0.03/7汽缸直径：D=50mm 活塞行程: L=20mm连杆长度：H=70mm，转速：n=1400转/分图5—1 压气机实验装置及测试系统为了获得反映压气机性能的示功图，在压气机的汽缸头上安装了一个应变式压力传感器，供实验时汽缸内输出的瞬态压力信号。
该信号经桥式整流后，送至动态应变仪放大。
对应着活塞上止点的位置，在飞轮外侧粘贴着一块磁条，从电磁传感器上取得活塞上止点的脉冲信号，作为控制采集压力的起止信号，以达到压力和曲柄传角信号的同步。
这二路信号经放大器分别放大后，送入A/D板转换为数值量，然后送至计算机，经计算处理便得到了压气机工作过程中的有关数据及展开的示功图和封闭的示功图。
见图5—2及图5—3。
图 5—2 封闭的示功图图 5—3 展开的示功图根据动力学公式，活塞位移量x 与曲柄转角a 有如下关系：-=1(R x )2cos 1(4)cos a a -+λ（5-1）式中：λ=R/LR ——曲柄半径； H ——连杆长度； a ——曲柄转角。
三、实验原理1．指示功和指示功率指示功：活塞压气机进行一个工作过程，活塞对气体所作的功，记为L i 。
显然功量就是P —V 图上工作过程线所包围的面积。
其纵坐标是以线段长度表示的压力值，而横坐标则表示活塞的位移量，经测面仪测量和计算才能得到功的数值，即：L i =S ×K 1×K 2×10-5(kgf-m) （5-2） 式中：S ——由测面仪测定的面积值 （mm 2）;K 1——单位长度代表的容积 (mm 3/mm) ；gbLD k421π=式中： L ——活塞行程（mm ）；gb ——活塞行程的线段长度（mm ）； K 2——单位长度代表的压力 (at/mm);fepkd12-=式中： p ——工作时的表压力(at);fe ——表压力在纵坐标图上对应的高度(mm);指示功率：单位时间内活塞对气体所作的功，记为N i 。
用下式表示：N i =L i ×n/102×60 (KW) （5-3）式中：n —— 转速(转/分)2.平均多变压缩指数压气机的实际压缩过程介于定温压缩与定熵压缩之间，过程指数在压缩过程中不断变化，根据压气机的理论轴功和气体压缩功的关系，可以求得平均的多变指数，记为n 0。
⎰⎰-=21210pdvvdpn（5-4）在Ｐ—Ｖ示功图上：即为压缩过程线与纵坐标围成的面积同压缩过程线与横坐标围成的面积之比。
即：围成的面积由围成的面积由cdabc cdefc n=0（5-5） 3. 容积效率（ηc）根据热力学定义：工作容积有效吸气容积=ηc（5-6）在Ｐ—Ｖ示功图上：即为有效吸气线段长度与活塞行程线段长度之比。
即：gbhbc=η（5-7）四、实验步骤1. 接通所有测试仪器设备的电源。
2. 把采集、处理数据的软件调入计算机。
3. 启动压气机，调好排气量，待压气机工作稳定后，计算机开始采集数据，经过计算机处理，得到了展开的和封闭的始功图。
4. 用测面仪测量封闭示功图的面积。
5. 分别测量压缩过程线与横坐标及纵坐标包围的面积。
6. 用尺子量出有效吸气线段hb 的长度和活塞行程线段gb 的长度。
五、实验报告要求1. 简述实验目的与原理。
2．记录计算机采集各种数据的理论值，填入在表5-1中。
2. 根据示功图，得到示功图上的三个面积值及压力P d 值。
3. 计算指示功、指示功率、平均多变压缩指数、容积效率等实际值（要求计算过程）。
六、思考题1. 为什么压缩过程的多变指数与膨胀过程的多变指数不相等？对于同一个过程（压缩或膨胀过程）的不同区段，为什么多变指数也不一样？2. 当压气机工作时，其压缩指数变化范围是多少？在什么情况下，压气机耗功最省？ 3．分析压气机工作压力的改变将对容积效率有何影响。
