07 二氧化碳PVT熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)二二氧化碳臨界現(xiàn)象觀測(cè)及PVT關(guān)系的測(cè)定一實(shí)驗(yàn)?zāi)康腎.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掌握CO2的p-v-t關(guān)系的測(cè)定方法，學(xué)會(huì)用實(shí)際氣體狀態(tài)變化規(guī)律方法和技巧。3學(xué)會(huì)活塞式壓力計(jì)、恒溫器等部分熱工儀器的正確方法。二實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)備純物質(zhì)的臨界點(diǎn)表示汽液二相平衡共存的最高溫度（TC）和最高壓力點(diǎn)（PC）o純物質(zhì)所處的溫度高于TC，則不存在液相；壓力高于PC，則不存在汽相；同時(shí)高于TC和PC，則為超臨界區(qū)。本實(shí)驗(yàn)測(cè)量TTC三種溫度條件下等溫線。其中TTC等溫線，為一光滑曲線；T=TC等溫線，在臨界壓力附近有一水平拐點(diǎn)，并出現(xiàn)汽液不分現(xiàn)象；TTC等溫線，分為三段，中

2、間一水平段為汽液共存區(qū)。對(duì)純流體處于平衡態(tài)時(shí)，其狀態(tài)參數(shù)P、V和T存在以下關(guān)系：F（P，V，T）=0或V=f（P，T）由相律，純流體，在單相區(qū)，自由度為2，當(dāng)溫度一定時(shí)，體積隨壓力而變化；在二相區(qū)，自由度為1，溫度一定時(shí)，壓力一定，僅體積發(fā)生變化。本實(shí)驗(yàn)就是利用定溫的方法測(cè)定CO2的P和V之間的關(guān)系，獲得CO2的P-V-T數(shù)據(jù)。1實(shí)驗(yàn)裝置由試驗(yàn)臺(tái)本體、壓力臺(tái)和恒溫浴組成,如圖一所示。低溫恒溫浴本休壓力臺(tái)圖一CO2PVT關(guān)系實(shí)驗(yàn)裝置2試驗(yàn)臺(tái)本體如圖二所示。恒ig水出圖二試驗(yàn)臺(tái)本體其中1高壓容器；2玻璃杯；3壓力油；4水銀；5密封填料；6填料壓蓋；7恒溫水套；8承壓玻璃管；9CO2空間；10溫度計(jì)

3、。對(duì)簡(jiǎn)單可壓熱力系統(tǒng)，當(dāng)工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時(shí)，其狀態(tài)參數(shù)p、u、t之間有：F（p,u，t）=0或t=f（p，u）（1）本試驗(yàn)就是根據(jù)（1）,采用定溫方法來測(cè)定CO2p-u之間的關(guān)系。從而找出CO2的p-u-t關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中由壓力臺(tái)送來的壓力油進(jìn)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的承壓玻璃管。CO2被壓縮，其壓力和容積通過壓力臺(tái)上的活塞螺桿的進(jìn)，退調(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)二氧化碳的壓力由裝壓力臺(tái)的壓力表讀出（如要提高精度可由加在活塞轉(zhuǎn)盤上的砝碼讀出，并考慮水銀柱高度的修正）。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)的二氧化碳柱的高度來度量

4、，而后這根據(jù)承壓玻璃管內(nèi)徑均勻、截面積不變等條件換算得出。三實(shí)驗(yàn)步驟1按圖一裝好試驗(yàn)設(shè)備。2接通恒溫浴電源，調(diào)節(jié)恒溫水到所要求的實(shí)驗(yàn)溫度（以恒溫水套內(nèi)精密溫度計(jì)為準(zhǔn)）。3加壓前的準(zhǔn)備抽油充油操作（1）關(guān)閉壓力表下部閥門和進(jìn)入本體油路的閥門，開啟壓力臺(tái)上油杯的進(jìn)油閥。（2）搖退壓力臺(tái)上的活塞螺桿，直至螺桿全部退出。此時(shí)壓力臺(tái)上油筒中抽滿了油。（3）先關(guān)閉油杯的進(jìn)油閥，然后開啟壓力表下部閥門和進(jìn)入本體油路的閥門。（4）搖進(jìn)活塞桿，使本體充油。直至壓力表上有壓力讀數(shù)顯示，毛細(xì)管下部出現(xiàn)水銀為止。（5）如活塞桿已搖進(jìn)到頭，壓力表上還無壓力讀數(shù)顯示，毛細(xì)管下部未出現(xiàn)水銀，則重復(fù)（1）-（4）步驟。（6）

5、再次檢查油杯的進(jìn)油閥是否關(guān)閉，壓力表及其進(jìn)入本體油路的二個(gè)閥門是否開啟。溫度是否達(dá)到所要求的實(shí)驗(yàn)溫度。如條件均已調(diào)定，則可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。測(cè)定承壓玻璃管（毛細(xì)管）內(nèi)CO2的質(zhì)面比常數(shù)K值由于承壓玻璃管（毛細(xì)管）內(nèi)的CO2質(zhì)量不便測(cè)量，承壓玻璃管（毛細(xì)管）內(nèi)徑（截面積）不易測(cè)準(zhǔn)。本實(shí)驗(yàn)用間接方法確定CO2的比容。假定承壓玻璃管（毛細(xì)管）內(nèi)徑均勻一致，CO2比容和高度成正比。具體方法如下：（1）由文獻(xiàn)，純CO2液體在25C,7.8MPa時(shí)，比容V=0.00124m/kg；（2）實(shí)驗(yàn)測(cè)定本裝置在25C，7.8MPa（表壓大約為7.7MPa）時(shí)，CO2柱高度為汀=:式中，h承壓玻璃管（毛細(xì)管）內(nèi)徑頂端的

6、刻度（酌情扣除尖部長(zhǎng)度），h25C,7.8MPa下水銀柱上端液面刻度。（注意玻璃水套上刻度的標(biāo)記方法）（3）如mCO2質(zhì)量，A承壓玻璃管（毛細(xì)管）截面積，h測(cè)量溫度壓力下水銀柱上端液面刻度，K質(zhì)面比常數(shù)，則25C，7.8MPa下比容，V=hA=0.00124m3ikg質(zhì)面比常數(shù)JvA0.0012斗又如Ah為測(cè)量溫度壓力下CO2柱高度，則此溫度壓力下CO2比容，v=h=Lm/A疋測(cè)定低于臨界溫度下的等溫線（T=20C或25C）（1）將恒溫水套溫度調(diào)至T=20C或25C，并保持恒定。（2）逐漸增加壓力，壓力為4.0MPa左右（毛細(xì)管下部出現(xiàn)水銀面）開始讀取相應(yīng)水銀柱上端液面刻度，記錄第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

7、讀取數(shù)據(jù)前，一定要有足夠的平衡時(shí)間，保證溫度、壓力和水銀柱高度恒定。（3）提高壓力約0.3MPa,達(dá)到平衡時(shí)，讀取相應(yīng)水銀柱上端液面刻度，記錄第二個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。注意加壓時(shí)，應(yīng)足夠緩慢的搖進(jìn)活塞桿，以保證定溫條件，水銀柱高度應(yīng)穩(wěn)定在一定數(shù)值，不發(fā)生波動(dòng)時(shí)，再讀數(shù)。（4）按壓力間隔0.3MPa左右，逐次提高壓力，測(cè)量第三、第四數(shù)據(jù)點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)第一小滴CO2液體時(shí)，則適當(dāng)降低壓力，平衡一段時(shí)間，使O2溫度和壓力恒定，以準(zhǔn)確讀出恰出現(xiàn)第一小液滴CO2時(shí)的壓力。（5）注意此階段，壓力改變后CO2狀態(tài)的變化，特別是測(cè)準(zhǔn)出現(xiàn)第一小滴C02液體時(shí)的壓力和相應(yīng)水銀柱高度及最后一個(gè)CO2小汽泡剛消失時(shí)的壓力和相應(yīng)水銀柱

8、高度。此二點(diǎn)壓力改變應(yīng)很小，要交替進(jìn)行升壓和降壓操作，壓力應(yīng)按出現(xiàn)第一小滴ZO2液體和最后一個(gè)CO2小汽泡剛消失的具體條件進(jìn)行調(diào)整。（6）當(dāng)CO2全部液化后，繼續(xù)按壓力間隔0.3MPa左右升壓，直到壓力達(dá)到8.OMPa為止（承壓玻璃管最大壓力應(yīng)小于8.OMPa）6測(cè)定臨界等溫線和臨界參數(shù)，觀察臨界現(xiàn)象（1）將恒溫水套溫度調(diào)至T=31.FC，按上述5的方法和步驟測(cè)出臨界等溫線，注意在曲線的拐點(diǎn)（P=7.376MPa）附近，應(yīng)緩慢調(diào)整壓力（調(diào)壓間隔可為0.05MPa）,以較準(zhǔn)確的確定臨界壓力和臨界比容，較準(zhǔn)確的描繪出臨界等溫線上的拐點(diǎn)。（2）觀察臨界現(xiàn)象臨界乳光現(xiàn)象保持臨界溫度不變，搖進(jìn)活塞桿使壓

9、力升至Pc附近處，然后突然搖退活塞桿（注意勿使試驗(yàn)臺(tái)本體晃動(dòng)）降壓,在此瞬間玻璃管內(nèi)將出現(xiàn)圓錐型的乳白色的閃光現(xiàn)象,這就是臨界乳光現(xiàn)象。這是由于CO2分子受重力場(chǎng)作用沿高度分布不均和光的散射所造成的。可以反復(fù)幾次觀察這個(gè)現(xiàn)象。整體相變現(xiàn)象臨界點(diǎn)附近時(shí)，汽化熱接近于零，飽和蒸汽線與飽和液體線接近合于一點(diǎn)。此時(shí)汽液的相互轉(zhuǎn)變不象臨界溫度以下時(shí)那樣逐漸積累，需要一定的時(shí)間，表現(xiàn)為一個(gè)漸變過程；而是當(dāng)壓力稍有變化時(shí)，汽液是以突變的形式相互轉(zhuǎn)化。汽液二相模糊不清現(xiàn)象處于臨界點(diǎn)附近的CO2具有共同的參數(shù)（P,V，T），不能區(qū)別此時(shí)CO2是汽態(tài)還是液態(tài)。如果說它是氣體，那么，這氣體是接近液態(tài)的氣體；如果說它

10、是液體，那么，這液體又是接近氣態(tài)的液體。下面用實(shí)驗(yàn)證明這結(jié)論。因?yàn)榇藭r(shí)是處于臨界溫度附近，如果按等溫過程，使CO2壓縮或膨脹，則管內(nèi)什么也看不到。現(xiàn)在，按絕熱過程進(jìn)行，先調(diào)節(jié)壓力處于7.4MPa（臨界壓力）附近，突然降壓（由于壓力很快下降，毛細(xì)管內(nèi)的O2未能與外界進(jìn)行充分的熱交換，其溫度下降），CO2狀態(tài)點(diǎn)不是沿等溫線，而是沿絕熱線降到二相區(qū)，管內(nèi)CO2出現(xiàn)了明顯的液面。這就是說，如果這時(shí)管內(nèi)CO2是氣體的話，那么，這種氣體離液相區(qū)很近，是接近液態(tài)的氣體；當(dāng)膨脹之后，突然壓縮CO2時(shí)，這液面又立即消失了。這就告訴我們，這時(shí)CO2液體離汽相區(qū)也很近，是接近氣態(tài)的液體。這時(shí)：O2既接近氣態(tài)，又接近

11、液態(tài)，所以只能是處于臨界點(diǎn)附近。臨界狀態(tài)流體是一種汽液不分的流體。這就是臨界點(diǎn)附近汽液二相模糊不清現(xiàn)象。7.測(cè)定高于臨界溫度的等溫線（T=40C）將恒溫水套溫度調(diào)至T=40C，按上述5相同的方法和步驟進(jìn)行。做好實(shí)驗(yàn)的原始記錄及注意事項(xiàng)（1）設(shè)備數(shù)據(jù)記錄：儀器、儀表的名稱、型號(hào)、規(guī)格、量程、精度（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）定承壓玻璃管內(nèi)CO2的質(zhì)面比常數(shù)k值。表1CO2等溫實(shí)驗(yàn)原始記錄四繪制等溫曲線與比較1.按表1的數(shù)據(jù)仿圖三繪出p-v圖上三條等溫線。壓力P,mp$圖三標(biāo)準(zhǔn)曲線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；并分析其中的差異及原因。五實(shí)驗(yàn)報(bào)告1簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)原理及過程。2各種數(shù)據(jù)的原始記錄。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理后的圖表。4分析比較等溫曲線的實(shí)驗(yàn)值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的差異及其原因。分析比較臨近比容的實(shí)驗(yàn)值與標(biāo)準(zhǔn)值及理論計(jì)算值之間的差異及原因。六注意事項(xiàng)1.實(shí)驗(yàn)壓力不能超過8.0MPa，實(shí)驗(yàn)溫度不高于40C。2應(yīng)緩慢搖進(jìn)活塞螺桿，否則來不及平衡，難以保證恒溫恒壓條件。般，按壓力間隔0.3MPa左右升壓。但在將要出現(xiàn)液相，