四川大学化学工程与工艺专业实验二氧化碳.docx
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四川大学化学工程与工艺专业实验二氧化碳
二氧化碳P-V-t关系的测定
实验报告
学生姓名：
蒿紫阳
班级：
113080304
学号：
1143084164
小组成员：
许慧欣蒿紫阳杨萍
实验时间：
2014年11月
实验设备组号：
第一组
撰写实验报告时间：
2014年11月
一、实验目的
（1）了解CO2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。
加深对工质热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。
（2）掌握CO2的P-V-t关系的测定方法，观察二氧化碳气体的液化过程的状态变化，及经过临界状态时的气液突变现象，学会用实验测定实际气体等温线和临界状态变化规律的方法和技巧。
（3）学会活塞式压力计，恒温器等热工仪器的正确使用方法。
二、实验任务
（1）测定CO2的P－V－t关系。
在P－V坐标系中绘出低于临界温度（t=20℃）、临界温度（t=31.1℃）和高于临界温度（t=50℃）的三条等温曲线，并与标准实验曲线及理论计算值相比较，并分析其差异原因。
（2）测定CO2在低于临界温度时（t=25℃、27℃）饱和液体的比容与饱和压力的对应关系。
（3）观测临界状态。
观察临界状态附近出现汽液两相分界模糊的现象和汽液整体相变现象，测定CO2的tc、c、vc等临界参数，并将实验所得的vc值与理想气体状态方程和范德瓦尔方程的理论值相比较，简述其差异原因。
（4）根据实验数据结果，画出实际气体P-V-t的关系图。
三、实验原理
对简单可压缩热力系统，当工质处于平衡状态时，其状态参数压力P、比容V、温度t之间有：
F（P，V，t）=0或t=f（P，V）
（1）
本试验是根据式
（1），保持任意一个参数恒定，测出其余两个参数之间的关系，就可以求出工质状态变化规律。
采用定温方法来测定CO2的P-V之间的关系，从而找出CO2的P-V-t关系。
即维持温度不变，测定比容与压力之间的对应数值，就可以得到等温线数据。
图3.1.二氧化碳标准试验曲线
实验中，由压力计送来的压力油进入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入予先装了CO2气体的承压玻璃管，CO2被压缩，其压力和容积通过压力计上的活塞杆的进、退来调节。
温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。
实验工质二氧化碳的压力，由装在压力计上的压力表读出（如要提高精度，可由加在活塞转盘上的平衡砝码读出，并考虑水银柱高度的修正）。
温度由插在恒温水套中的热电偶或温度计测定。
比容首先由承压玻璃管内二氧化碳柱的高度来测量，而后再根据承压玻璃管内径均匀、截面不变等条件换算得出。
低于临界温度时，实际气体的等温线有气液相变的直线段。
而理想气体的等温线是正双曲线，任何时候也不会出现直线段。
只有在临界温度以上，实际气体的等温线才逐渐接近于理想气体的等温线。
所以，理想气体的理论不能说明实际气体的气液相变现象和临界状态。
CO2的临界压力为73.87bar，温度为31.1℃。
低于临界温度时的等温线出现气液相变的直线段。
30.9℃是恰好能压缩得到液体CO2的最高温度。
在临界点附近出现气液分界模糊的现象。
临界温度以上的等温线具有斜率转折点，直到48.1℃才成为均匀的曲线。
四、实验装置
整个实验装置由压力计、恒温水槽和试验台本体及其防护罩等三大部分组成。
图4.1试验装置系统图
图4.2装置安装效果图
试验台本体由以下10部分组成：
1、高压容器，2、玻璃杯，3、压力油，4、水银，5、密封填料，6、填料压盖，7、恒温水套，8、承压玻璃管，9、CO2空间，10、温度计（或热电偶）
图4.3试验台本体结构图
五、实验操作步骤
1、连接好试验设备。
2、恒温器准备及温度调定。
（1）将蒸馏水注入恒温器内，注至离盖30～50mm。
检查并接通电路。
开动电动泵，使水循环对流。
（2）视水温情况，开、关加热器及调节加热电流。
（3）观察玻璃水套内的温度，若其读数与所需温度一致时（或基本一致）,则可（近似）认为承压玻璃管内的CO2的温度处于所需要的试验温度。
（4）当需要改变试验温度时，重复
（2）～（4）即可。
3、加压前的准备。
因为压力计的油缸容量比主容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器充油，才能在压力表上显示压力读数。
压力计抽油、充油的操作过程非常重要，若操作失误，不但加不上压力，还会损坏试验设备。
所以，务必认真掌握，其步骤如下：
（1）关压力表及其进入本体油路的两个阀门，开启压力计上油杯的进油阀。
（2）摇退压力计上的活塞螺杆,直至螺杆全部退出。
这时压力计油缸中抽满了油。
（3）先关闭油杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。
（4）摇进活塞螺杆，使本体充油。
如此交复，直至压力表上有压力读数为止。
（5）再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体油路阀门是否开启。
若均已调定后，即可进行实验。
4、做好实验的原始记录
（1）常规数据记录：
室温、大气压、实验环境情况等。
（2）测定承压玻璃管内CO2的质面比常数K值。
由于充进承压玻璃管内的CO2质量不便测量，而玻璃管内径或截面积（A）又不易测准，因而实验中采用间接办法来确定CO2的比容，认为CO2的比容V与其高度是一种线性关系。
具有如下方法：
a.已知CO2液体在20℃，9.8MPa时的比容
V（20℃，9.8Mpa）=0.00117M3·kg。
b.实际测定实验台上在20℃，9.8Mpa时的CO2在容器内所占高度Δh0（m）。
（注意玻璃管水套上刻度的标记方法）
c.∵V（20℃，9.8Mpa）=
式中：
A为玻璃管内截面积；ｍ为玻璃管内CO2总质量。
∴
式中：
K——即为玻璃管内CO2的质量面积比（常数）。
所以，任意温度、压力下CO2的比容为：
式中h——任意温度、压力下水银柱高度。
h0——承压玻璃管内顶端所处高度。
5、测定低于临界温度t=20℃时的定温线
（1）将恒温器调定在t=20℃，并保持恒温。
（2）压力从4.41Mpa开始，当玻璃管内水银升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证定温条件。
否则，将来不及平衡，使读数不准。
（3）按照适当的压力间隔取h值，直至压力=9.8Mpa.
（4）注意加压后CO2的变化，特别是注意饱和压力和饱和温度之间的对应关系以及液化、汽化等现象。
要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表1。
（5）测定t=25℃，t=27℃时其饱和温度和饱和压力的对应关系。
6、测定临界等温线和临界参数，并观察临界现象。
按上述方法和步骤测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力Pc和临界比容Vc，并将数据记录。
观察临界现象：
（1）整体相变现象：
由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合于一点，所以这时汽液的相互转变不是象临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为渐变过程，而这时当压力稍在变化时，汽、液是以突变的形式相互转化。
（2）汽、液两相模糊不清现象：
处于临界点的CO2具有共同参数（P，V，t），因而不能区别此时CO2是气态还是液态。
如果说它是气体，那么，这个气体是接近液态的气体；如果说它是液体,那么,这个液体又是接近气态的液体。
以下采用实验证明此结论。
由于在临界温度下，若按等温线过程进行，使CO2压缩或膨胀，管内看不见物质存在。
若们按绝热过程来进行。
首先在压力等于7.64Mpa附近，突然降压，CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内将CO2出现明显的液面。
这就是说，如果管内的CO2若成气态，那么这种气体离液区很接近，可以看着是接近液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩CO2，这个液面会立即消失。
由此可见，此时CO2液体离气区也是非常接近的，可看着是接近气态的液体。
这种CO2既接近气态，又接近液态，所以能处于临界点附近。
因此，临界状态即是饱和汽、液分不清，也即是临界点附近，饱和汽、液模糊不清的现象。
7、测定高于临界温度t=50℃时的等温线。
将数据记录
六、原式数据记录及数据处理
1、原始数据记录
表6.1原始数据记录表
总高度h0=372mm
温度/℃
压力/MPa
水银柱高度h/mm
15
4.42
36
15
5.6
152
15
5.7（临界饱和点）
158
15
6.4
230
15
8.0
322
15
9.6
329
17
4.2
31
17
5.2
111
17
5.6
146
17
5.8（临界饱和点）
162
17
8.4
321
17
9.6
327
19
4.4
27
19
5.2
107
19
5.9
162
19
6.1（临界饱和点）
177
19
7.6
309
19
9.6
326
20
4.6
46
20
5.8
152
20
6.3（临界饱和点）
186
20
6.6
207
20
8.2
314
20
9.8
326
23
4.6
39
23
6.2
169
23
6.8
205
23
7.6
273
23
8.8
318
23
9.8
325
25
4.8
53
25
5.8
134
25
6.8
196
25
7.4（临界饱和点）
229
25
9.8
323
2.数据处理
1.等温线数据处理
K值计算：
已知V（22℃，9.8Mpa）=0.00117M3·kg。
V（22℃，9.8Mpa）=
△h=h0-h
所以，K=m/A=△h/V=（0.372-0.325）/0.00117=40.1709（kg/m2）。
对于不同的温度下，利用△h=h0-h及
计算比容V,计算结果列入下表：
表6.215℃比容的计算结果
压力/MPa
水银柱高度h/mm
高度差△h/m
比容V/m3/kg
4.42
36
0.336
0.00836
5.6
152
0.22
0.00548
5.7（临界饱和点）
158
0.178
0.00443
6.4
230
0.142
0.00353
8.0
322
0.05
0.00124
9.6
329
0.043
0.00107
表6.17℃比容的计算结果
压力/MPa
水银柱高度h/mm
高度差△h/m
比容V/m3/kg
4.2
31
0.341
0.00849
5.2
111
0.261
0.00650
5.6
146
0.226
0.00563
5.8（临界饱和点）
162
0.21
0.00523
8.4
321
0.051
0.00127
9.6
327
0.045
0.00112
表6.419℃比容的计算结果
压力/MPa
水银柱高度h/mm
高度差△h/m
比容V/m3/kg
4.4
27
0.345
0.00859
5.2
107
0.265
0.00660
5.9
162
0.21
0.00523
6.1（临界饱和点）
177
0.195
0.00485
7.6
309
0.063
0.00157
9.6
326
0.046
0.00115
表6.420℃比容的计算结果
压力/MPa
水银柱高度h/mm
高度差△h/m
比容V/m3/kg
4.6
46
0.326
0.00812
5.8
152
0.22
0.00548
6.3（临界饱和点）
186
0.186
0.00463
6.6
207
0.165
0.00411
8.2
314
0.058
0.00144
9.8
326
0.046
0.00115
表6.423℃比容的计算结果
压力/MPa
水银柱高度h/mm
高度差△h/m
比容V/m3/kg
4.6
39
0.333
0.00829
6.2
169
0.203
0.00505
6.8（临界饱和点）
205
0.167
0.00416
7.6
273
0.099
0.00246
8.8
318
0.054
0.00134
9.8
325
0.047
0.00117
表6.425℃比容的计算结果
压力/MPa
水银柱高度h/mm
高度差△h/m
比容V/m3/kg
4.8
53
0.319
0.00794
5.8
134
0.238
0.00592
6.8
196
0.176
0.00438
7.4（临界饱和点）
229
0.143
0.00356
9.8
323
0.049
0.00122
将以上5个不同温度的p-v关系作图，得下图：
图6.1不同温度下P-V关系图
2.p-t关系数据处理
由实验数据整理得，饱和温度与饱和压力所测到的如下：
表6.5饱和温度与饱和压力原始数据
饱和温度-饱和压力对应值
温度
15
17
19
20
23
25
压力
5.7
5.8
6.1
6.3
6.8
7.4
作图如下所示：
图6.2饱和温度与饱和压力的关系图
七、实验结果和分析
1.将计算结果所得数据在p-v坐标系中画出5条等温线，与附图中所对应的标准等温线比较，可对实验操作及系统方法进行深入分析和理解。
答：
由附图中对应的标准等温线可看出，在低于临界温度下，饱和温度和饱和压力成直线关系，由以前学过的公式也可以了解到温度和压力是成正相关的，而在我们的实验中，大体上是成直线关系。
2．将所测的饱和温度与饱和压力对应值画在p-t坐标图上，可找出二者相互依变的趋势。
答：
由图6.2可以看出，饱和压力越高，饱和温度也就越高，基本是呈线性升高的，但是由于在实验中存在误差，所以并没有能够准确做出临界温度和临界压力的点。
在测饱和温度和饱和压力时，实验现象也不易观察，所以我们选择从高压到低压进行变化来测量，在此过程中会突然出现气化现象。
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