化工熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、實(shí)驗(yàn)一 二氧化碳PVT關(guān)系一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解CO2臨界狀態(tài)的觀測方法，增加對臨界狀態(tài)概念的感性認(rèn)識。2、增加對課堂所講的工質(zhì)熱力狀態(tài)、凝結(jié)、汽化、飽和狀態(tài)等基本概念的理解。3、掌握CO2的p-v-t關(guān)系的測定方法，學(xué)會用實(shí)驗(yàn)測定實(shí)際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法和技巧。4、學(xué)會活塞式壓力計(jì)，恒溫器等熱工儀器的正確使用方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、測定CO2的p-v-t關(guān)系。在p-v坐標(biāo)系中繪出低于臨界溫度（t=20）、臨界溫度（t=31.1）和高于臨界溫度（t=50）的三條等溫曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)曲線及理論計(jì)算值相比較，并分析其差異原因。2、測定CO2在低于臨界溫度（t=20、27）飽和溫度和飽和壓力之間的對

2、應(yīng)關(guān)系，并與圖四中的ts-ps曲線比較。3、觀測臨界狀態(tài)（1）臨界狀態(tài)附近氣液兩相模糊的現(xiàn)象。（2）氣液整體相變現(xiàn)象。（3）測定CO2的pc、vc、tc等臨界參數(shù)，并將實(shí)驗(yàn)所得的vc值與理想氣體狀態(tài)方程和范德瓦爾方程的理論值相比教，簡述其差異原因。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由壓力臺、恒溫器和實(shí)驗(yàn)臺本體及其防護(hù)罩等三大部分組成（如圖一所示）。 圖一 試驗(yàn)臺系統(tǒng)圖 圖二 試驗(yàn)臺本體試驗(yàn)臺本體如圖二所示。其中1高壓容器；2玻璃杯；3壓力機(jī)；4水銀；5密封填料；6填料壓蓋；7恒溫水套；8承壓玻璃杯；9CO2空間；10溫度計(jì)。、對簡單可壓縮熱力系統(tǒng)，當(dāng)工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時(shí)，其狀態(tài)參數(shù)p、v、t之間有：

3、 F(p,v,t)=0 或t=f(p,v) （1）本實(shí)驗(yàn)就是根據(jù)式（1），采用定溫方法來測定CO2的p-v-t關(guān)系，從而找出CO2的p-v-t關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中，壓力臺油缸送來的壓力由壓力油傳入高壓容器和玻璃杯上半部，迫使水銀進(jìn)入預(yù)先裝了CO2氣體的承壓玻璃管容器，CO2被壓縮，其壓力通過壓力臺上的活塞桿的進(jìn)、退來調(diào)節(jié)。溫度由恒溫器供給的水套里的水溫來調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)二氧化碳的壓力值，由裝在壓力臺上的壓力表讀出。溫度由插在恒溫水套中的溫度計(jì)讀出。比容首先由承壓玻璃管內(nèi)二氧化碳柱的高度來測量，而后再根據(jù)承壓玻璃管內(nèi)徑截面不變等條件來換算得出。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、按圖一裝好實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并開啟實(shí)驗(yàn)本體上的日光燈（

4、目的是易于觀察）。2、恒溫器準(zhǔn)備及溫度調(diào)節(jié)：（1）、把水注入恒溫器內(nèi)，至離蓋3050mm。檢查并接通電路，啟動(dòng)水泵，使水循環(huán)對流。（2）、把溫度調(diào)節(jié)儀波段開關(guān)撥向調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)溫度旋扭設(shè)置所要調(diào)定的溫度，再將溫度調(diào)節(jié)儀波段開關(guān)撥向顯示。（3）、視水溫情況，開、關(guān)加熱器，當(dāng)水溫未達(dá)到要調(diào)定的溫度時(shí)，恒溫器指示燈是亮的，當(dāng)指示燈時(shí)亮?xí)r滅閃動(dòng)時(shí)，說明溫度已達(dá)到所需要恒溫。（4）、觀察溫度，其讀數(shù)的溫度點(diǎn)溫度設(shè)定的溫度一致時(shí)（或基本一致），則可（近似）認(rèn)為承壓玻璃管內(nèi)的CO2的溫度處于設(shè)定的溫度。（5）、當(dāng)所需要改變實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，重復(fù)（2）（4）即可。注：當(dāng)初使水溫高于實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度時(shí)，應(yīng)加冰進(jìn)行調(diào)節(jié)。3、加

5、壓前的準(zhǔn)備：因?yàn)閴毫ε_的油缸容量比容器容量小，需要多次從油杯里抽油，再向主容器管充油，才能在壓力表顯示壓力讀數(shù)。壓力臺抽油、充油的操作過程非常重要，若操作失誤，不但加不上壓力，還會損壞試驗(yàn)設(shè)備。所以，務(wù)必認(rèn)真掌握，其步驟如下：（1）關(guān)壓力表及其進(jìn)入本體油路的兩個(gè)閥門，開啟壓力臺油杯上的進(jìn)油閥。（2）搖退壓力臺上的活塞螺桿，直至螺桿全部退出。這時(shí)，壓力臺油缸中抽滿了油。（3）先關(guān)閉油杯閥門，然后開啟壓力表和進(jìn)入本體油路的兩個(gè)閥門。（4）搖進(jìn)活塞螺桿，使本體充油。如此交復(fù)，直至壓力表上有壓力讀數(shù)為止。（5）再次檢查油杯閥門是否關(guān)好，壓力表及本體油路閥門是否開啟。若均已調(diào)定后，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4、作好

6、實(shí)驗(yàn)的原始記錄：（1）設(shè)備數(shù)據(jù)記錄：儀器、儀表名稱、型號、規(guī)格、量程、等。（2）常規(guī)數(shù)據(jù)記錄：室溫、大氣壓、實(shí)驗(yàn)環(huán)境情況等。（3）測定承壓玻璃管內(nèi)CO2質(zhì)量不便測量，而玻璃管內(nèi)徑或截面積（A）又不易測準(zhǔn)，因而實(shí)驗(yàn)中采用間接辦法來確定CO2的比容，認(rèn)為CO2的比容與其高度是一種線性關(guān)系。具體方法如下：a）已知CO2液體在20，9.8MPa時(shí)的比容（20，9.8Mpa）=0.00117M3·。b）實(shí)際測定實(shí)驗(yàn)臺在20，9.8Mpa時(shí)的CO2液柱高度h0（m）。（注意玻璃管水套上刻度的標(biāo)記方法）c）（20，9.8Mpa）= 其中：K即為玻璃管內(nèi)CO2的質(zhì)面比常數(shù)。所以，任意溫度、壓力下CO

7、2的比容為： （m3/kg） 式中，h=h-h0 h任意溫度、壓力下水銀柱高度。 h0承壓玻璃管內(nèi)徑頂端刻度。5、測定低于臨界溫度t=20時(shí)的等溫線。（1）將恒溫器調(diào)定在t=20，并保持恒溫。（2）壓力從4.41Mpa開始，當(dāng)玻璃管內(nèi)水銀柱升起來后，應(yīng)足夠緩慢地?fù)u進(jìn)活塞螺桿，以保證等溫條件。否則，將來不及平衡，使讀數(shù)不準(zhǔn)。（3）按照適當(dāng)?shù)膲毫﹂g隔取h值，直至壓力p=9.8MPa。（4）注意加壓后C O2的變化，特別是注意飽和壓力和飽和溫度之間的對應(yīng)關(guān)系以及液化、汽化等現(xiàn)象。要將測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及觀察到的現(xiàn)象一并填入表1。（5）測定t=25、27時(shí)其飽和溫度和飽和壓力的對應(yīng)關(guān)系。6、測定臨界參數(shù)，

8、并觀察臨界現(xiàn)象。（1）按上述方法和步驟測出臨界等溫線，并在該曲線的拐點(diǎn)處找出臨界壓力pc和臨界比容c，并將數(shù)據(jù)填入表1。（2）觀察臨界現(xiàn)象。a）整體相變現(xiàn)象由于在臨界點(diǎn)時(shí)，汽化潛熱等于零，飽和汽線和飽和液線合于一點(diǎn)，所以這時(shí)汽液的相互轉(zhuǎn)變不是象臨界溫度以下時(shí)那樣逐漸積累，需要一定的時(shí)間，表現(xiàn)為漸變過程，而這時(shí)當(dāng)壓力稍在變化時(shí)，汽、液是以突變的形式相互轉(zhuǎn)化。b）汽、液兩相模糊不清的現(xiàn)象處于臨界點(diǎn)的CO2具有共同參數(shù)（p,v,t），因而不能區(qū)別此時(shí)CO2是氣態(tài)還是液態(tài)。如果說它是氣體，那么，這個(gè)氣體是接近液態(tài)的氣體；如果說它是液體，那么，這個(gè)液體又是接近氣態(tài)的液體。下面就來用實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)結(jié)論。因?yàn)?/p>

9、這時(shí)處于臨界溫度下，如果按等溫線過程進(jìn)行，使CO2壓縮或膨脹，那么，管內(nèi)是什么也看不到的?，F(xiàn)在，我們按絕熱過程來進(jìn)行。首先在壓力等于7.64Mpa附近，突然降壓CO2狀態(tài)點(diǎn)由等溫線沿絕熱線降到液區(qū)，管內(nèi)CO2出現(xiàn)明顯的液面。這就是說，如果這時(shí)管內(nèi)的CO2是氣體的話，那么，這種氣體離液區(qū)很接近，可以說是接近液態(tài)的氣體；當(dāng)我們在膨脹之后，突然壓縮CO2時(shí)，這個(gè)液面又立即消失了。這就告訴我們，這時(shí)CO2液體離氣區(qū)也是非常接近的，可以說是接近氣態(tài)的液體。既然，此時(shí)的CO2既接近氣態(tài)，又接近液態(tài)，所以能處于臨界點(diǎn)附近?？梢赃@樣說：臨界狀態(tài)究竟如何，就是飽和汽、液分不清。這就是臨界點(diǎn)附近，飽和汽、液模糊不

10、清的現(xiàn)象。7、測定高于臨界溫度t=50時(shí)的定溫線。將數(shù)據(jù)填入原始記錄表1。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理和分析1、按表1的數(shù)據(jù)，如圖三在p-v坐標(biāo)系中畫出三條等溫線。2、將實(shí)驗(yàn)測得得等溫線與圖三所示的標(biāo)準(zhǔn)等溫線比較，并分析它們之間的差異及原因。3、將實(shí)驗(yàn)測得的飽 和溫度與壓力的對應(yīng)值與圖四給出的ts-ps曲線相比較。表1CO2等溫實(shí)驗(yàn)原始記錄t=20t=31.1（臨界）t=50P(Mpa)hv=h/K現(xiàn)象p(Mpa)hv=h/K現(xiàn)象p(Mpa)hv=h/K現(xiàn)象進(jìn)行等溫線實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間 分鐘分鐘分鐘 圖三 標(biāo)準(zhǔn)曲線4、將實(shí)驗(yàn)測定的臨界比容c與理論計(jì)算值一并填入表2，并分析它們之間的差異及其原因。表2臨界比容Vc

11、m3/Kg標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)驗(yàn)值Vc=RTc/Pc0.002165、應(yīng)用RK狀態(tài)方程：（15）（16）進(jìn)行體積數(shù)據(jù)推算并與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值比較。CO2的臨界參數(shù)為：TC304.2 K ； PC7.376 Mpa六、儀器參數(shù)尺寸:1000×400×800 電源:220V 功率:1.5KW 測定二氧化碳的P-V-T關(guān)系，測定其臨界參數(shù)PVT/測定二氧化碳在不同壓力下飽和蒸汽和 飽和液體的比容，如測定二氧化碳和溫度和飽和壓力的對應(yīng)關(guān)系七、參考文獻(xiàn)1 Vargaftic N B. Tables on the Thermophysical Properties of Liquids and Gases. 2nd Ed. New York: Hemisphere Publishing Corp., 1975. 1671682 Neindre B L E, Vodar