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 3
00117.0
即：
