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1、實(shí)驗(yàn)十 二氧化碳臨界狀態(tài)觀測及p-v-T關(guān)系實(shí)驗(yàn) 一,實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1.了解CO2臨界狀態(tài)的觀測方法,增強(qiáng)對臨界狀態(tài)的感性認(rèn)識. 2.加深對課堂所講的工質(zhì)的熱力狀態(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的關(guān)系的測定方法,學(xué)會用實(shí)驗(yàn)測量氣體狀態(tài)及狀態(tài)變化規(guī)律 的方法和技巧. 4.學(xué)會活塞式壓力計(jì),恒溫器等部分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)圖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,分析差異原因.

2、 2.測定CO2在低于臨界溫度時(shí)(t=20℃和t=25℃)飽和溫度與飽和壓力之間的對應(yīng) 關(guān)系,并與圖中繪出的ts - ps曲線比較. 3.觀測臨界狀態(tài) (1)臨界乳光. (2)臨界狀態(tài)附近汽液兩相模糊的現(xiàn)象. (3)汽液整體相變現(xiàn)象. (4)測定CO2的臨界參數(shù)tc,pc,vc,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,簡述其差異原因. 三,實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理 1.整個實(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)罩三大部分組成,如圖 10-1所示. 圖10-1 CO2實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)圖 2.實(shí)驗(yàn)臺本體如圖10-2所示,其中1—高壓容器;2—玻璃杯;3

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;9—CO2空間;10— 溫度計(jì). 3.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有: F(p, v, T)=0 或 t=f(p, v) (10-1) 本實(shí)驗(yàn)就是根據(jù)式(10-1),采用定溫方法來測定CO2的p-v關(guān)系,從而找出CO2的 p-v-T關(guān)系. 4.實(shí)驗(yàn)中由壓力臺送來的壓力油進(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氣體的承壓玻璃管.CO2被壓縮,其壓力和容積通過壓臺上的活塞桿的進(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). 5.實(shí)驗(yàn)工質(zhì)二氧

4、化碳的壓力由裝在壓力臺上的壓力表讀出(如果提高精度可由加 在活塞轉(zhuǎn)盤上的平衡砝碼讀出,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.比體積首先由承壓玻璃管內(nèi)二氧化碳柱的高度來度量,然后再根據(jù)承壓玻 璃管內(nèi)徑均勻,截面積不變等條件換算得出. 四,實(shí)驗(yàn)步驟 1.按圖裝好實(shí)驗(yàn)設(shè)備,并開啟實(shí)驗(yàn)臺本體上的日光燈. 2.使用恒溫器調(diào)定溫度 (1)將蒸鎦水注入恒溫器內(nèi),注至離蓋3-5cm為止,檢查并接通電路,開動電動 泵,使水循環(huán)對流. (2)旋轉(zhuǎn)電接點(diǎn)溫度計(jì)頂端的帽形磁鐵調(diào)動凸輪示標(biāo),使凸標(biāo)上端面與所要確定 的溫度一致,要將帽形磁鐵用橫向螺釘鎖緊,以防轉(zhuǎn)動. (3)視

5、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),恒溫器指標(biāo)燈是 亮的,當(dāng)指標(biāo)燈時(shí)亮?xí)r暗閃動時(shí),說明溫度已達(dá)到所需恒溫. (4)觀察玻璃水套上兩支溫度計(jì),若其讀數(shù)相同且與恒溫器上的溫度計(jì)及電接點(diǎn) 溫度計(jì)標(biāo)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)CO2的溫度處 于所標(biāo)定的溫度. (5)當(dāng)需要改變試驗(yàn)溫度時(shí),重復(fù)(2)-(4)即可. 3. 加壓前的準(zhǔn)備: 因?yàn)閴毫ε_的油缸容量比主容器容量小,需要多次從油杯里抽油,再向主容器充油, 才能在壓力表上顯示壓力讀數(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實(shí)驗(yàn)設(shè)備,所以務(wù)必認(rèn)真掌握其步驟如下

6、: (1)關(guān)閉壓力表及進(jìn)入本體油路的兩個閥門,開啟壓力臺上油杯的進(jìn)油閥. 圖10-2 實(shí)驗(yàn)臺本體 (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)閉油杯前期門,然后開啟壓力表和進(jìn)入本體油路的兩閥門. (4)搖進(jìn)活塞螺桿,經(jīng)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,即可進(jìn)行實(shí) 驗(yàn). 4.做實(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,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)測定承壓玻璃管內(nèi)CO2的質(zhì)

7、面比常數(shù)K值. 由于充進(jìn)承壓管內(nèi)的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)中是采用間接辦法來確定CO2的比體積,認(rèn)為CO2比體積v與其高度是一種線性關(guān) 系,具體如下: a)已知CO2溶液在20℃,10MPa時(shí)的比體積v(20℃,10MPa)=0.0017m3/kg b)如前操作,實(shí)測本CO2在20℃,10MPa時(shí)的CO2液柱高度 h(m)(注意玻璃 水套上刻度的標(biāo)記方法). c)由a)可知: ∵v(20℃, 10 MPa) m hA = = kgm/00117.03 ∴)/( 00117.0 3mkgK h A m = = 故

8、任意溫度,壓力下CO2的比體積為 )/( / 3kgm K h Am h v = = 式中: 0hhh = h —任意溫度,壓力下的水銀柱高度 h0 —承壓玻璃管內(nèi)徑頂端刻度 (4)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn): a)做各條定溫線時(shí),實(shí)驗(yàn)壓力p≤10MPa實(shí)驗(yàn)溫度t≤50 (℃). b)一般,取h時(shí)壓力間隔可取0.2-0.5MPa,但在接近飽的狀態(tài)時(shí)和臨界狀態(tài)時(shí), 壓力間隔應(yīng)取為0.05 MPa. c)在實(shí)驗(yàn)中讀取水銀柱液面高度的讀數(shù)時(shí)要注意使視線與水銀柱半圓型液面的 中部相齊. 5.測定低于臨界溫度t=20℃時(shí)的定溫線 (1)將恒溫器調(diào)到t=20℃并

9、保持恒溫. (2)壓力記錄從4.5MPa開始,當(dāng)玻璃管內(nèi)水銀升起來后,應(yīng)緩慢地?fù)u進(jìn)活塞螺桿, 保證定溫條件,否則來不及平衡,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=10MPa. (4)注意加壓后,CO2的變化,特別是注意飽和壓力與飽和溫度的對應(yīng)關(guān)系,液化, 汽化等現(xiàn)象,要將測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察到的現(xiàn)象一并填入表1. (5)測定t=25℃,t=27℃下飽和溫度與飽和壓力的對應(yīng)關(guān)系. 6.測定臨界等溫線和臨界參數(shù),臨界現(xiàn)象觀察 (1)仿照5的方法測出臨界等溫線,并在該曲線的零點(diǎn)處找出臨界壓力pc和臨界比 體積vc,將數(shù)據(jù)填入表1. (2)臨界現(xiàn)象觀察 a)臨界乳光

10、現(xiàn)象 保持臨界溫度不變,搖進(jìn)活塞桿使壓力升至7.8MPa附近處,然后突然搖退活 塞桿(注意勿使實(shí)驗(yàn)臺本體晃動)降壓,在此瞬間玻璃管內(nèi)將出現(xiàn)圓錐狀的乳白色 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,來觀察這一現(xiàn)象. b)整體相變現(xiàn)象 由于在臨界點(diǎn)時(shí),汽化潛熱為零,飽的汽線和飽和液線合于一點(diǎn),所以此時(shí)汽 液的相互轉(zhuǎn)變不是象臨界溫度以下時(shí)那樣表現(xiàn)為一個漸變的過程,而是當(dāng)壓力稍有 變化,汽,液即以突變的形式相互轉(zhuǎn)化. c)汽,液兩相模糊不清現(xiàn)象 處于臨界點(diǎn)時(shí)CO2是氣態(tài)還是液態(tài)的 如果說它是氣體,那么這個氣體是接

11、近 于液態(tài)的氣態(tài);如果說它是液體,那么這個液體又是接近氣態(tài)的液體.下面就用實(shí) 驗(yàn)來證明這個結(jié)論.因?yàn)檫@時(shí)是處于臨界溫度下,如果按等溫線過程進(jìn)行來使CO2壓 縮或膨脹,那么管內(nèi)是什么也看不到的.現(xiàn)在我們按絕熱過程來進(jìn)行.首先在壓力 等于7.8MPa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)了明顯的液面,這就說明,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 液面又立即消失了,這就告訴我們這時(shí)CO2液體離氣區(qū)也是非常近的,可以說是接 近氣態(tài)的液體,即此時(shí)的CO2既接近氣態(tài)又接

12、近液態(tài),處于臨界點(diǎn)附近.可以這樣 說:臨界狀態(tài)下飽和汽,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. 7.測定高于臨界溫度t=50℃時(shí)的等溫線,要將數(shù)據(jù)填入表1. 表1 CO2等溫實(shí)驗(yàn)原始記錄 t=20℃ t=31.1℃(臨界) t=50℃ p(MPa) h K h v =現(xiàn)象 p(MPa) h K h v =現(xiàn)象p(MPa) h K h v =現(xiàn)象 4.5 5 … 10 做出各條等溫線所需時(shí)間 分鐘 分鐘 分鐘 五,繪制等溫曲線并比較 1.按表1的數(shù)據(jù),仿照圖10-3在p-v圖上繪出三條等溫線. 2.將實(shí)驗(yàn)測得的等溫線與圖

13、10-3所示的標(biāo)準(zhǔn)等溫線比較;并分析之間的差異及原因. 3.將實(shí)驗(yàn)測得的飽和溫度與飽和壓力的對應(yīng)值與圖10-4繪出的ts-ps曲線相比較. 4.將實(shí)驗(yàn)測定的臨界比體積vc與理論計(jì)算值一并填入表2并分析其間的差異及原因. 圖10-3 表2 臨界比體積vc[m3/kg] 標(biāo)準(zhǔn)值 實(shí)驗(yàn)值 c c cp RT v= c c cp RT v 8 3 = 0.00216 圖10-4 CO2飽和溫度與飽和壓力關(guān)系曲線 六,實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1.簡述實(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)值之間的差異及原因,分析比較臨界比體積的實(shí) 驗(yàn)值與標(biāo)準(zhǔn)值及理論計(jì)算之間的差異及原因. 5.實(shí)驗(yàn)收獲及改進(jìn)意見.