《二氧化碳臨界狀態(tài)觀測及PVT關(guān)系工程熱力學(xué)實驗指導(dǎo)書》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《二氧化碳臨界狀態(tài)觀測及PVT關(guān)系工程熱力學(xué)實驗指導(dǎo)書（10頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、工程熱力學(xué) 二氧化碳臨界狀態(tài)觀測及P-V-T關(guān)系 一、實驗?zāi)康? 1、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)會用實驗測定實際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法和技巧。 4、學(xué)會活塞式壓力計，恒溫器等熱工儀器的正確使用方法。 二、實驗內(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)實驗曲線及理論計算值相比較，并分析其差異原因。 2

2、、測定CO2在低于臨界溫度（t=20℃、27℃）時飽和溫度和飽和壓力之間的對應(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)，并將實驗所得的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、實驗設(shè)備及原理 整個實驗裝置由壓力臺、恒溫器和實驗臺本體及其防護罩等三大部分組成（如圖一所示）。

3、 圖一 試驗臺系統(tǒng)圖 圖二 試驗臺本體 試驗臺本體如圖二所示。其中1—高壓容器；2—玻璃杯；3—壓力機；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。、 對簡單可壓縮熱力系統(tǒng)，當(dāng)工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時，其狀態(tài)參數(shù)p、v、t之間有： F(p,v,t)=0 或t=f(p,v) （1） 本實驗就是根據(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

4、驗中，由壓力臺送來的壓力由壓力油進入高壓容器和玻璃杯上半部，迫使水銀進入預(yù)先裝了CO2氣體的承壓玻璃管，CO2被壓縮，其壓力和容器通過壓力臺上的活塞桿的進、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)。 實驗工質(zhì)二氧化碳的壓力，由裝在壓力臺上的壓力表讀出（如要提高精度，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)徑均勻、截面不變等條件來換算得出。 四、實驗步驟 1、按圖一裝好實驗設(shè)備，并開啟實驗本體上的日光燈。 2、恒溫器準(zhǔn)備及溫度調(diào)節(jié)： （1）、入恒溫器內(nèi)，注至離

5、蓋30～50mm。檢查并接通電路，開動電動泵，使水循環(huán)對流。 （2）、旋轉(zhuǎn)電接點溫度計頂端的帽形磁鐵，調(diào)動凸輪示標(biāo)，使凸輪上端面與鎖要調(diào)定的溫度一致，再將帽形磁鐵用橫向螺釘鎖緊，以防轉(zhuǎn)動。 （3）、視水溫情況，開、關(guān)加熱器，當(dāng)水溫未達到要調(diào)定的溫度時，恒溫器指示燈是亮的，當(dāng)指示燈時亮?xí)r滅閃動時，說明溫度已達到所需要恒溫。 （4）、觀察玻璃水套上的溫度計，若其讀數(shù)與恒溫器上的溫度計及電接點溫度計標(biāo)定的溫度一致時（或基本一致），則可（近似）認(rèn)為承壓玻璃管內(nèi)的CO2的溫度處于所標(biāo)定的溫度。 （5）、當(dāng)所需要改變實驗溫度時，重復(fù)（2）～（4）即可。 3、加壓前的準(zhǔn)備： 因為壓力臺的油缸容量

6、比容器容量小，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)壓力表及其進入本體油路的兩個閥門，開啟壓力臺上油杯的進油閥。 （2）搖退壓力臺上的活塞螺桿，直至螺桿全部退出。這時，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入本體油路的兩個閥門。 （4）搖進活塞螺桿，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，即可進行實驗。 4、作好實驗的原始

7、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、精度。 （2）常規(guī)數(shù)據(jù)記錄： 室溫、大氣壓、實驗環(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)，因而實驗中采用間接辦法來確定CO2的比容，認(rèn)為CO2的比容V與其高度是一種線性關(guān)系。具體方法如下： a）已知CO2液體20℃，9.8MPa時的比容V（20℃，9.8Mpa）=0.00117m3/㎏。 b）實際測定實驗臺在20℃，9.8Mpa時的CO2液柱高度Δh0（m）。（注意玻璃管水套上刻度的標(biāo)記方法） c）∵V（20℃，9.8Mpa）= ∴ 其中：K——即

8、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-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℃時的定溫線。 （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進活塞螺桿，以保證定溫條件。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

9、應(yīng)關(guān)系以及液化、汽化等現(xiàn)象。要將測得的實驗數(shù)據(jù)及觀察到的現(xiàn)象一并填入表1。 （5）測定t=20℃、27℃時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)，并觀察臨界現(xiàn)象。 （1）按上述方法和步驟測出臨界等溫線，并在該曲線的拐點處找出臨界壓力pc和臨界比容vc，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 由于在臨界點時，汽化潛熱等于零，飽和汽線和飽和液線合于一點，所以這時汽液的相互轉(zhuǎn)變不是象臨界溫度以下時那樣逐漸積累，需要一定的時間，表現(xiàn)為漸變過程，而這時當(dāng)壓力稍在變化時，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 處于臨界點的CO2具有共同

10、參數(shù)（p,v,t），因而不能區(qū)別此時CO2是氣態(tài)還是液態(tài)。如果說它是氣體，那么，這個氣體是接近液態(tài)的氣體；如果說它是液體，那么，這個液體又是接近氣態(tài)的液體。下面就來用實驗證明這個結(jié)論。因為這時處于臨界溫度下，如果按等溫線過程進行，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行。首先在壓力等于7.64Mpa附近，突然降壓CO2狀態(tài)點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，這個液面又立即消失了。這就告訴我們，這時CO2液體離氣區(qū)也

11、是非常接近的，可以說是接近氣態(tài)的液體。既然，此時的CO2既接近氣態(tài)，又接近液態(tài)，所以能處于臨界點附近?？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℃時的定溫線。將數(shù)據(jù)填入原始記錄表1。 五、實驗報告要求 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、將實驗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、將實驗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。 4、將實驗測定的臨界比容Vc與理論計算值一并填入表1，并分析它們之間的差異及其原因。

12、 臨界比容Vc[m3/Kg] 表1 標(biāo)準(zhǔn)值 實驗值 Vc=RTc/Pc Vc= 0.00216 CO2等溫實驗原始記錄表 t=20℃ t=31.1℃（臨界） t=50℃ p (Mpa) Δh v=Δh/K 現(xiàn)象 p (Mpa) Δh v=Δh/K 現(xiàn)象 p (Mpa) Δh v=Δh/K 現(xiàn)象

13、 進行等溫線實驗所需時間 分鐘 分鐘 分鐘 圖三 標(biāo)準(zhǔn)曲線 圖 四 CO2飽和溫度和壓力關(guān)系曲線 氣體定壓比熱測定實驗 氣體定壓比熱的測定是工程熱力學(xué)的基本實驗之一。實驗中涉及溫度、壓力、熱量（電功）、流量等基本量

14、的測量；計算中用到比熱及混合氣體（混空氣）方面的知識。本實驗的目的是增加熱物性研究方面的感性認(rèn)識，促使理論聯(lián)系實際，以利于培養(yǎng)同學(xué)分析問題和解決問題的能力。 一、實驗?zāi)康暮鸵? 1. 了解氣體比熱測定裝置的基本原理和構(gòu)思。 2. 熟悉本實驗中的測溫、測壓、測熱、測流量的方法。 3. 掌握由基本數(shù)據(jù)計算出比熱值和求得比熱公式的方法。 4. 分析本實驗產(chǎn)生誤差的原因及減小誤差的可能途徑。 二、實驗裝置和原理 裝置由風(fēng)機、流量計、比熱儀主體、電功率調(diào)節(jié)及測量系統(tǒng)等四部分組成（如圖一所示）。 圖一 實驗裝置 比熱儀主體如圖二所示。 實驗時，被測空氣（也可以時其它空氣）由風(fēng)機經(jīng)

15、流量計送入比熱儀主體，經(jīng)加熱、均流、旋流、混流后流出。在此過程中，分別測定：空氣在流量計出口處的干、濕球溫度（t0，tw）；氣體經(jīng)比熱儀主體的進出口溫度（t1，t2）；氣體的體積流量（V）；電熱器的輸入功率（W）；以及實驗時相應(yīng)的大氣壓（B）和流量計出口處的表壓（Δh）。有了這些數(shù)據(jù)，并查用相應(yīng)的物性參數(shù)，即可計算出被測氣體的定壓比熱（Cpm）。 氣體的流量由節(jié)流閥控制，氣體出口溫度由輸入電熱器的功率來調(diào)節(jié)。 本比熱儀可測300℃以下的定壓比熱。 圖二 比熱儀主體 三、實驗步驟和數(shù)據(jù)處理 1. 接通電源及測量儀表，選擇所需的出口溫度計插

16、入混流網(wǎng)的凹槽中。 2. 摘下流量計上的溫度計，開動風(fēng)機， 調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使流量保持在額定值附近。測出流量計出口空氣的干球溫度（t0）和濕球溫度（tw）。 3. 將溫度計插回流量計，調(diào)節(jié)流量，使它保持在額定值附近。逐漸提高電熱器功率，使出口溫度升高至預(yù)計溫度 [可以根據(jù)下式預(yù)先估計所需電功率： 式中：W為電熱器輸入電功率（瓦）； Δt為進出口溫度差（℃）； τ為每流過10升空氣所需的時間（秒）。] 4. 待出口溫度穩(wěn)定后（出口溫度在10分鐘之內(nèi)無變化或有微小起伏，即可視為

17、穩(wěn)定），讀出下列數(shù)據(jù)，每10升空氣通過流量計所需時間（τ,秒）；比熱儀進口溫度——即流量計的出口溫度（t1,℃）和出口溫度（t2℃）；當(dāng)時相應(yīng)的大氣壓力（B，毫米汞柱）和流量計出口處的表壓（Δh，毫米汞柱）；電熱器的輸入功率（W，瓦）。 5. 根據(jù)流量計出口空氣的干球溫度和濕球溫度,從濕空氣的干濕圖查出含濕量(d,克/公斤干空氣)，并根據(jù)下式計算出水蒸氣的容積成分： 6. 根據(jù)電熱器消耗的電功率，可算出電熱器單位時間放出的熱量： 千卡/秒 7. 干空氣流量（質(zhì)理流量）為： 公斤/秒 8. 水蒸氣流量為： 公斤/秒 9. 水蒸氣吸收的熱量：

18、 千卡/秒 10. 干空氣的定壓比熱為： 千卡/（公斤℃） 11. 計算舉例 某一穩(wěn)定工況的實測參數(shù)如下： t0=8℃； tw=7.5℃； B=748.0毫米汞貢柱 t1=8℃； t2=240.3℃； τ=69.96 秒/10升； Δh=16 毫米汞柱; W=41.84千瓦 查干濕圖得 d=6.3克/公斤干空氣（ψ=94%） 千卡/秒 公斤/秒 公斤/秒 千卡/秒 千卡/（公斤℃） 12. 比熱隨溫度的變化關(guān)系 假定在0—300℃之

19、間，空氣的真實定壓比熱與溫度之間近似地有線性關(guān)系，則由t1到t2的平均比熱為： 因此，若以 為橫坐標(biāo)， 為縱坐標(biāo)（如圖三），則可根據(jù)不同的溫度范圍內(nèi)的平均比熱確定截距a和斜率b，從而得出比熱隨溫度變化的計算式。 圖 三 四、注意事項 1. 切勿在無氣流通過的情況下使電熱器投入工作，以免引起局部過熱而損壞比熱儀主體。 2. 輸入電熱器的電壓不得超過220伏。氣體出口最高溫度不得超過300℃。 3. 加熱和冷卻要緩慢進行，防止溫度計和比熱儀主體因溫度驟增驟降而破裂。 4. 停止試驗時，應(yīng)切斷電熱器，讓風(fēng)機繼續(xù)運行十五分鐘左右（溫度教低時可適當(dāng)縮短）。 實驗數(shù)據(jù)記錄： 當(dāng)?shù)卮髿鈮海? 流量計出口壓力： 序號 進口溫度 出口溫度 濕球溫度 加熱功率 W 時間 s 1 2 3 4 五、實驗報告要求 1、計算四個狀態(tài)下的比熱值，將主要步驟和結(jié)果寫在實驗報告上。 2、繪坐標(biāo)圖并用最小二乘法確定比熱表達式。