工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)一

PAGEPAGE1工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)一二氧化碳臨界狀態(tài)觀測(cè)及p-v-t關(guān)系測(cè)定實(shí)驗(yàn)[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯1、了解CO2臨界狀態(tài)的觀測(cè)方法，增加對(duì)臨界狀態(tài)概念的感性認(rèn)識(shí)。2、增加對(duì)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(cè)定方法，學(xué)會(huì)用實(shí)驗(yàn)測(cè)定實(shí)際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法和技巧。4、學(xué)會(huì)活塞式壓力計(jì)，恒溫器等熱工儀器的正確使用方法。[實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理]整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由壓力臺(tái)、恒溫器和實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(tái)系統(tǒng)圖試驗(yàn)臺(tái)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；9—CO2空間；10—溫度計(jì)。對(duì)簡(jiǎn)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：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(cè)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(tái)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(tái)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)。圖二實(shí)驗(yàn)臺(tái)本體實(shí)驗(yàn)工質(zhì)二氧化碳的壓力值，由裝在壓力臺(tái)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(cè)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。圖二實(shí)驗(yàn)臺(tái)本體[實(shí)驗(yàn)內(nèi)容]1、測(cè)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=2、測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系，并與圖四中的ts3、觀測(cè)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(cè)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較，簡(jiǎn)述其差異原因。[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（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30～50mm。檢查并接通電路，啟動(dòng)水泵，使水循環(huán)對(duì)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)溫度與設(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)需要改變實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，重復(fù)（2）～（4）即可。注意：當(dāng)初始水溫高于實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度時(shí)，應(yīng)加冰進(jìn)行調(diào)節(jié)。3、作好實(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(hào)、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(cè)定承壓玻璃管內(nèi)CO2質(zhì)量不便測(cè)量，而玻璃管內(nèi)徑或截面積（A）又不易測(cè)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）=0.00117Mb）實(shí)際測(cè)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)在20℃，9.8Mpa時(shí)的CO2液柱高度Δh0c）∵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CO2的比容為：（m3/kg）式中，Δh=h-h0h——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。4、測(cè)定低于臨界溫度t=20℃（1）將恒溫器調(diào)定在t=20℃（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CO2的變化，特別是注意飽和壓力和飽和溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及液化、汽化等現(xiàn)象。要將測(cè)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(cè)定t=20℃、5、測(cè)定臨界參數(shù)，并觀察臨界現(xiàn)象。（1）按上述方法和步驟測(cè)出臨界等溫線，并在該曲線的拐點(diǎn)處找出臨界壓力和臨界比容，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)壓力稍再變化時(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)檫@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?cè)趬嚎s之后，突然膨脹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。可以這樣說：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、液模糊不清的現(xiàn)象。6、測(cè)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[實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄]1、當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮海簆b=；室溫：t0=；2、管內(nèi)CO2質(zhì)面比常數(shù)的標(biāo)定:h0=，△h0=，＝；3、CO2等溫實(shí)驗(yàn)原始記錄表1t=20t=31.1℃t=50p(Mpa)Δhv=Δh/K現(xiàn)象p(Mpa)Δhv=Δh/K現(xiàn)象p(Mpa)Δhv=Δh/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[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(cè)得的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(cè)得的飽和溫度與壓力的對(duì)應(yīng)值與圖四給出的ts-ps曲線相