实验3 二氧化碳气体P-V-T关系的测定

1 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 ： 学生姓名 ： 准考证号 ： 2

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 一、水蒸气的定压发生过程 取初始状态a时水的压力为p，而温度与三相点温度相同，即为0.01 ℃，因该温度低于压力p所对应的饱和温度ts，故处于未饱和水状态。为使容积变化时保持压力不变，假设容器为具有活塞的气缸，如图3-1a所示。当水受热时，水的温度升高，比体积略有增加，直到水的温度升高到压力p所对应的饱和温度ts时，全部水变成饱和水，如图10-1b所示。其状态变化过程，如图3-2中过程a-b所示。

a b c d e 图3-1 水蒸气定压发生过程示意图 3

图3-2 水蒸气定压发生过程p-v和t-s示意图 对水继续加热，水开始汽化，逐渐由饱和水转变成饱和水蒸气，如图10-1c所示，未汽化的部分仍保持为饱和水状态。汽化过程中饱和水与饱与水蒸气的温度和压力都保持不变，但两者混合物的容积增长很快，即混合物的折合比体积vx增加很快。当饱和水全部转变为饱和水蒸气时，即达到干饱和水蒸气状态，如图10-1d所示。因为饱和水定压汽化成为干饱和水蒸气的过程也是定温过程，故在p-v图及T-s图上汽化过程b-d都是一条水平线，如图3-2中过程b-d所示。 干饱和水蒸气继续加热，水蒸气的温度便升高到高于饱和温度的数值，这种水蒸气称为过热水蒸气。过热水蒸气的比体积比饱和水蒸气大，其状态如图3-1e所示。过热水蒸气的温度与同压力下的饱和温度之差称为水蒸气的过热度，即D＝t-ts。 三、水蒸气的p-v图和T-s图 在不同的压力下对水加热，同样要经历类似上述的相变过程。在p-v图和T-s图上，将各定压线上所有开始汽化的各点连接起来，形成一条如图10-5中B-c所示的曲线，线上各点相应于不同压力下的饱和水状态，称为下界线，即饱和水线。将定压线上所有汽化完毕的各点连接起来，形成另一条曲线A-c，线上各点相应于不同压力下的干饱和水蒸气状态，称为上界线，也即干饱和水蒸气线。 当压力增加到某一确定值时，饱和水状态与干饱和蒸汽状态重合，成为水、汽不分的状态，即临界点c。水蒸气的临界参数为 tc＝374.15 ℃ pc＝22.120 Mpa vc＝0.003 17 m3/kg 下界线和上界线在临界点c相交，形成了为饱和曲线A-c-B所包围的饱和区，在该区域内饱和水和饱和水蒸气共存，称为湿饱和蒸汽，因此饱和区又称为湿蒸汽区。 当压力高于临界压力pc时，便不再发生水的定压汽化过程，如图3-3中过程1-2所示。

图3-3 水蒸气的p-v图及T-s图 分析水蒸气的相变图线可见，上、下界线表明了水汽化的始末界线，二者统称饱和曲线，它把p-v和T-s图分为三个区域，即液态区(下界线左侧)、湿蒸汽区(饱和曲线内)、汽态区(上界线右侧)。此外，习惯上常把压力高于临界点的临界温度线作为“永久”气体与液体的分界线。所以，水蒸气的相变图线，可以总结为一点(临界点)、二线(上界线、下界线)、三区(液态区、湿蒸汽区、气态区)和五态(未饱和水状态、饱和水状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态、过热蒸汽状态)。 2. 理想气体状态方程：PV = nRT 4

R:通用气体常数 8.314J/mol·R V:体积 n:摩尔数 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：

RTbvvap2 （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 :

0)(23abavvRTbppv （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。 3．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。

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 5

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。

它的工作情况可简述而下：

由活塞式压力计送来的压力油首先进入高压容器，然后通过高压容器和玻璃杯之间的空隙，使玻璃杯中水银表面上的压力加大，迫使水银进入预先灌有CO2

气体的承压玻璃管，使其中的CO2气体受到压缩。如果忽略中间环节的各种压力

损失，可以认为CO2气体所受到的压力即活塞式压力计所输出的压力油的压力，其数值可在活塞式压力计台架上的压力表中读出。至于承压玻璃管中CO2 气体的容积，则可由水银柱的高度间接测出（下面还将详细述及）。 承压玻璃管外还有一个玻璃套管，其上下各有一个接头，分别用橡皮管与恒温器联接。 恒温器中的水温由加热器加热、由电接触式水银温度计控制，可以基本保持不变。恒温器中的电动泵装恒温水抽出，由玻璃套管的下端进入，上端流出，在玻璃套管和恒温器之中进行循环。这样，在稳定情况下，可以认为CO2气体的温度与循环水的温度相等。这就保证了CO2可在等温情况下进行状态的改变。 活塞式压力计依靠带有活塞的螺杆的前进或后退，改变压力泵中低粘度压力油的压力，它有一个进油阀和两个控制阀，使用时必须严格遵守活塞式压力计的操作规律，以免发生意外，损坏试验台本体。

五、实验步骤 6

1．熟悉各实验设备，对照图一搞清楚压力传递的路线及恒温器循环的流程。 2．使用恒温器调节温度： （1） 准备工作——在恒温器中加入蒸馏水，水面应离盖板3厘米左右。检查并接通电路，启动恒温器电动泵，使循环水对流。 （2） 调定温度——旋转接触式水银温度计顶部嵌有永久磁铁的胶木帽，到达选定温度后，将胶木帽上的螺钉旋紧。 （3） 加热升温——实验时应视工况调节加热器，当恒温器指示灯时明时 灭时，说明温度已达到所需温度。

（4） 判断定温——观察与玻璃套管相连的温度显示仪，当它的值与恒温器上的温度计读数基本相同并且保持不变时，可认为CO2的温度已恒定。（注意，此时而时的温度与接触式水银温度计的读数略有不同，应以前者为准。） （5） 改变温度——需要改变温度时，重复以上（2）、（3）、（4）各步骤。 3. 加压准备 （1）先关闭压力表控制阀及进入本体油路的控制阀，开启压力计油杯的进

3—3 压缩室本体示意图

1—玻璃毛细管 2—水银室 3—压力油室

4—温度计 5—恒温水套