实验3二氧化碳气体修改稿3

实验 3 二氧化碳气体 P-V-T 关系的测定一、实验目的1. 了解 CO2临界状态的观测方法，增强对临界状态概念的感性认识。2. 巩固课堂讲授的实际气体状态变化规律的理论知识，加深对饱和状态、临界状态等基本概念的理解。3. 掌握 CO2的 P-V-T 间关系测定方法。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，测定等温线和临界状态的参数。1测定 CO2气体基本状态参数 P-V-T 之间的关系，在 PV 图上绘制出 t 为 20、31.1、40三条等温曲线。2观察饱和状态，找出 t 为 20时，饱和液体的比容与饱和压力的对应关系。3观察临界状态，在临界点附近出现气液分界模糊的现象，测定临界状态参数。4根据实验数据结果，画出实际气体 P-V-t 的关系图。3、实验原理水蒸汽的基本概念a、 汽化是 物 质 由 液 态 变 为 气 态 的 过 程 称 为 汽 化 。 汽 化 有 蒸 发 和 沸 腾 两 种 形式 。1）蒸发在液体表面进行的缓慢的汽化现象称为蒸发。它是液体表面附近动能较大的分子克服周围液体分子的引力而逸出液面的现象。蒸发可在任何温度下发生，液体的温度越高，蒸发表面积越大，液面上蒸汽的分子数量越少，气流的流速越快时，蒸发就越快。2）沸腾在液体内部和表面同时进行的剧烈的汽化现象，称为沸腾。沸腾可以在敞开的容器中进行，也可以在密闭的容器中进行，工业上涉及的液体汽化大多都是沸腾，而且沸腾大多是在密闭的容器中进行的。b、凝结物质由气态变为液态的过程称为凝结（液化）。凝结与汽化是物质相态变化的两种相反过程，实际上，在密闭容器内进行的汽化过程，总是伴随着液化同时进行的。c、汽化热在一定的压力下，每千克饱和水和水变成同温度的干饱和蒸汽所吸收的热量称为该温度下的汽化潜热，简称汽化热，以 表示，单位为 kJ/kg。则： =h 2-h1式中 h 1-饱和水的焓值，单位为，kJ/kg；h2-饱和蒸汽的焓值，单位为，kJ/kg。d、凝结热每千克蒸汽转变成同温度的水所放出的热量称为凝结热。凝结热和汽化热数值相等。物质在不发生相态变化，只发生温度变化时吸收或放出的热量称为显热。当然，物质在既有温度变化又有相态变化时，显热和潜热是同时存在的，二者之和称为全热。和分子间的相互作用力等因素。范德华实际气体方程式 ：1. 理想气体状态方程：PVm = RT实际气体：因为气体分子体积和分子之间存在相互的作用力，状态参数（压力、温度、比容）之间的关系不再遵循理想气体方程式了。考虑上述两方面的影响，1873 年范德瓦尔对理想气体状态方程式进行了修正，提出如下修正方程：（3-1）RTbvap2式中: a / v 2是分子力的修正项；b 是分子体积的修正项。修正方程也可写成 : （3-2）0)(23 a它是 V 的三次方程。随着 P 和 T 的不同，V 可以有三种解：三个不等的实根；三个相等的实根；一个实根、两个虚根。1869 年安德鲁用 CO2做试验说明了这个现象，他在各种温度下定温压缩 CO2并测定 p与 v，得到了 PV 图上一些等温线，如图 21 所示。从图中可见，当 t 31.1时，对应每一个 p，可有一个 v 值，相应于（1）方程具有一个实根、两个虚根；当 t =31.1时，而 p = pc时，使曲线出现一个转折点 C 即临界点，相应于方程解的三个相等的实根；当 t Pc 时，在饱和水线 AC 线（下界线）和 Tc-C 线的左侧，此时为未饱和水状态；Tc-C 线和 Pc 定压线的右上侧，此时为汽液共存状态；Pc 定压线和干饱和蒸汽线 CB 线（上界线）的右侧，此时处于过热蒸汽状态。（图 6-1）b、分析（图 6-2）可知：当 时：cp一点：C 点为临界点。A B A B两线：饱和液相线（A-C 线）；干饱和汽相线（C-B 线）。将 p-v 图和 T-S 图分为：三区：未饱和液体区、饱和湿蒸汽区、过热蒸汽区，分别是(图 6-2)中 I、II、III 所示。其中饱和液体线、干饱和蒸汽线和三相点定压线围成了饱和湿蒸汽区；饱和液体线、三相点定压线和临界点定温线围成了未饱和液体区；干饱和蒸汽线、临界点定温线靠右区域为过热蒸汽区。需要注意的是：其他区域（蓝色）为气液不分的区域，即流体区域。五态：未饱和液体、饱和液体、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽。8.干度指每千克湿蒸汽中含有干蒸汽的质量百分数，而湿度是指每千克湿蒸汽中所含饱和水的质量百分比。热力学中干度的定义是：汽液共存物中，汽相的质量分数或摩尔分数。常用 X 表示。湿蒸汽的干度和湿度都是大于 0 小于 1 的。由于在饱和水蒸汽区中的湿饱和蒸汽的温度 ts 与压力 Ps 具有一定的函数关系，所以两者只能作为一个独立参数。要确定湿饱和蒸汽的状态，还须另一个独立参数，一般采用“干度”作为参数，但也可以是其他的状态参数，如焓、熵、比体积中的任何一个。干度：是湿饱和蒸汽和蒸汽与饱和水的混合物，即：式中 m v-湿蒸汽中的饱和蒸汽的质量，单位为 kgmw-湿蒸汽中的高河水的质量，单位为 kg。 对干度 X 的说明：x=0 为饱和液体；x=1 为干饱和蒸汽； 为湿饱和蒸汽。在未饱和液体10x和过热蒸汽区域，x 无意义。由于湿饱和蒸汽实质上是干饱和蒸汽与饱和水的混合物，因此其热力学能、焓、熵及容积可表示为：引入干度的关系式，可得：干度的计算方法：根 据 已 知 压 力 和 水 蒸 汽 或 温 度 ， 查 饱 和 水 或 饱 和 水 蒸 汽 表 ， 得 到 及 等 参v数 ， 将 参 数 代 入 上 面 的 公 式 计 算 ， 最 终 可 得 到 湿 蒸 汽 区 的 状 态 参 数 。将定压线上所有开始汽化的各点连接起来，形成曲线 BC，成为下界线，下界线上各点相应于不同压力下的饱和水，因此下界线又称为饱和液体线。它同时又是 X=0的定干度线。将定压线上所有企划完毕的各点连接起来，形成另一条曲线 AC，称为上界线，上界线各点相应于不同压力下的饱和水蒸气，因此上界线又称为饱和水蒸气线。下界线和上界线相交于临界点 C，这样就形成了饱和曲线 BCA 所包围的饱和区（或称为湿蒸气区）。超出饱和区的范围便不再有定压汽化过程。P-V 图上，影响 V 的主要是 P 和 T，相对液态而言，T 对 V 的影响比 P 的影响大，因而当P 增加时，对应的饱和温度增加，则饱和水的体积增大，对气态而言，正好相反，因为，随着 P 的增加，饱和蒸汽的比体积减小，当 P 增加到一定值时，饱和水状态与干饱和蒸汽状态必然重合于一点。分析水蒸气的相变图线可见， 时：上、下界线表明了水汽化的始末界线，二者统称饱和cp曲线它把 p-v 和 T-s 图分为三个区域，即液态区(下界线左侧) 、湿蒸汽区(饱和曲线内) 、汽态区(上界线右侧) 。此外，习惯上常把压力高于临界点的临界温度线作为“永久” 气体与液体的分界线。所以，水蒸气的相变图线，可以总结为一点(临界点)、二线(上界线、下界线) 、三区(液态区、湿蒸汽区、气态区)五态(和水状态、饱和水状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态、过热蒸汽2、水蒸气的饱和状态 饱和状态 饱和区内，饱和水和饱和水蒸气共存的平衡状态。 在饱和状态下，饱和水与饱和水蒸气的平衡是动态的平衡。 饱和温度与饱和压力之间有确定的对应关系。压力越高，饱和温度也越高。如，p0.0108kPa 时，t s0；当 p101.325 kPa 时， ts100 。 ts 和 ps 之间的关系，由实验或经验公式确定。 由于饱和区内的湿饱和蒸汽的温度 ts 与压力 ps 具有一定的函数关系，所以两者只能作为一个独立参数。要确定湿饱和蒸汽的状态，还须另一个独立参数，一般采用“干度” 作为参数，但也可以是其它的状态参数，如焓、熵、比体积中的任何一个。干度 x湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数， wvm/由于湿饱和蒸汽实质上是干饱和蒸汽与饱和水的混合物，因此其热力学能、焓、熵及容积可表示为 VSHUxx引入干度的关系式，可得 )()1( )()(vxvxvsss xLhhhuuuxx 即，如已知湿饱和蒸汽干度 x，即可利用饱和水及干饱和蒸汽的状态参数，求得湿饱和蒸汽的相应状态参数的数值。 3CO 2比容的确定实验中由于 CO2的质量 m 不便测定，承受玻璃的内径 d 也不易测准，因而只能用间接方法确定 V 值：因为二氧化碳在 20，100ata（102bar）时，比容 即：kgvm3017.vco2(20，100ata)= mdAh300 .4因为 (常数)KAmh017.则任意情况下二氧化碳的比容：V0V 为比容，m 为质量，A 为液面面积， 所以，只要在实验中测得 t=20, p=100ata 时的 h0值，计算出 k 值后，其它任意状态下的比容 V 值均可求得。h 一任意温度，压力下水银往高度 mm,h 0一承压玻璃管内径顶端刻度 mm。在低于临界温度时，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理想气体的等温线。所以理想气体的理论不能解释实际气体的气液两相转变及临界状态。1） 临界乳光现象将水温加热到临界温度（31.1）并保持温度不变，摇进压力台上的活塞螺杆使压力升至上 7.8MPa 附近出，然后摇退活塞螺杆（注意勿使实验本体晃动）降压，在此瞬间玻璃管内将出现园锥状的乳白色的闪光现象，这就是临界乳光现象。这是由于二氧化碳分子受重力场作用沿高度分布不均和光的散射所造成的，可以反复几次，来观察这一现象。2）整体相变现象2）整体相变现象由于在临界点时，气化潜热等于零，饱和气相线和饱和液相线合于一点，所以这时气液的相互转化不是像临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为一个渐变的过程，而这时当压力稍有变化时，气、液是以突变的形式互相转化的。3）汽、液两相模糊不清的现象处于临界点的二氧化碳具有共同的参数，因而仅凭参数是不能区分此时二氧化碳是气体还是液体，如果说它是气体，那么这个气体是接近了液态的气体，如果说它是液体，那么这个液体是接近了气态的液体。下面就用实验来验证这个结论。因为这时是处于临界温度下，如果按等温线过程进行来使二氧化碳压缩或膨胀，那么管内是什么也看不到的。现在我们按绝热过程来进行。首先在压力等于 78at 附近，突然降压，二氧化碳状态点由等温线沿绝热线降到液态区，管内二氧化碳出现了明显的液面，这就说明，如果这时管内二氧化碳是气体的话，那么这种气体离液区很接近可以说是接近了液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩二氧化碳时，这个液面又立即消失了，这就告诉我们，此时的二氧化碳液体离气区也是非常近的，可以说是接近了气态的液体。既然此时的二氧化碳既接近气态又接近液态，所以，只能处于临界点附近。可以说，临界状态究竟如何，是饱和汽、液分不清。这就是临界点附近饱和汽液模糊不清的现象。2列数据表及绘制 P-V 图。实验数据计算整理后，绘制出实际 CO2气体 P-V 的关系图。3. 也可以再加入目前高校研究、应用二氧化碳的实际意义；四、实验设备 整个实验装置由压力台、恒温器和实验台本体及其防护罩等三大部分组成（如图 1所示）。图 1. 试验台系统简图图 2. 试验台本体实验中，由压力台油缸送来的压力油进入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装由高纯度的 CO2 气体的承压玻璃管（毛细管），CO 2 被压缩，其压力和容积通过压力台上的活塞杆的进、退来调节。温度由恒温器供给的水套里的水温调节，水套的恒温水由恒温浴供给。CO2 的压力由装在压力台上的精密压力表读出（注意：绝压=表压+大气压），温度由插在恒温水套中的温度计读出，比容由 CO2 柱的高度除以质面比常数计算得到。试剂：高纯度二氧化碳。五、实验步骤1、按图 1 装好实验设备。2、恒温器准备及温度调节：（1）、把水注入恒温器内，至离盖 3050mm。检查并接通电路，启动水泵，使水循环对流。（2）、把温度调节仪波段开关拨向调节，调节温度旋扭设置所要调定的温度，再将温度调节仪波段开关拨向显示。（3）、视水温情况，开、关加热器，当水温未达到要调定的温度时，恒温器指示灯是亮的，当指示灯时亮时灭闪动时，说明温度已达到所需要恒温。（4）、观察温度，其读数的温度点温度设定的温度一致时（或基本一致），则可（近似）认为承压玻璃管内的 CO2 的温度处于设定的温度。（5）、当所需要改变实验温度时，重复（2）（4）即可。3、加压前的准备：因为压力台的油缸容量比容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器管充油，才能在压力表显示压力读数。压力台抽油、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，开启压力台油杯上的进油阀。（2）摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。这时，压力台油缸中抽满了油。（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、测定承压玻璃管（毛细管）内 CO2 的质面比常数 K 值由于承压玻璃管（毛细管）内 CO2 质量不便测量，承压玻璃管（毛细管）内径或截面积（A）又不易测准。本实验采用间接办法来确定 CO2 的比容。假定承压玻璃管（毛细管）内径均匀一致，CO 2 的比容 与其高度成正比。具体方法如下：（1）由文献，纯 CO2 液体在 25，7.8MPa 时的比容 =0.00124m3/。（2）实际测定本装置在 25，7.8MPa（表压大约为 7.7 MPa）时，CO2 柱高度h0= h0- h（m）。式中，h0 承压玻璃管（毛细管）内径顶端的刻度，h 25，7.8MPa 下水银柱上端液面刻度。（3）如 m：CO2 质量（kg）， A：承压玻璃管（毛细管）截面积（m2），h：测量温度下水银柱上端液面刻度（m ），K：玻璃管内 CO2 的质面比常数（kg/m2 ），则25，7.8MPa 下的比容： kgAhvo30124./质面比常数 0124./hK所以，任意温度、压力下 CO2 的比容为： KhmAv/六、注意事项式中，h= h0-hh任意温度、压力下水银柱高度。5、测定低于临界温度 t=25时的等温线。（1）将恒温器调定在 t=25 ，并保持恒温。（2）逐渐增加压力，压力在 4.40Mpa 左右（毛细管下部出现水银液面）开始读取相应水银柱上液面刻度，记录第一个数据点。读取数据前，一定要有足够的平衡时间，保证温度、压力和水银柱高度恒定。（3）提高压力约 0.3MPa，达到平衡时，读取相应水银柱上液面刻度，记录第二个数据点。注意加压时，应足够缓慢地摇进活塞杆，以保证定温条件，水银柱高度应稳定在一定数值上，不发生波动时再读数。（4）提高压力约 0.3MPa 左右，逐次提高压力，测量第三、第四.数据点，当出现第一小滴 CO2 液体时，则适当降低压力，平衡一段时间，使 CO2 温度和压力恒定，以准确读出恰好出现第一小液滴时的压力。（5）注意此阶段，压力改变后 CO2 状态的变化，特别是测准出现第一液滴时的压力和相应水银柱高度以及最后一个 CO2 小气泡刚消失时的压力和相应的水银柱高度。此两点压力应接近相等，要交替进行升压和降压操作，压力按出现第一小液滴和最后一个气泡消失的具体条件进行调节。（6）当 CO2 全部液化后，继续按压力间隔 0.3MPa 左右升压，直到压力达到 8.0MPa为止。6、测定临界等温线和临界参数，并观察临界现象。（1）将恒温水浴调至 31.1，按上述方法和步骤测出临界等温线，注意在曲线的拐点（7.376MPa）附近，应缓慢调节压力（调节间隔可在 0.05MPa），较准确地确定临界压力和临界比容，较准确地描绘出临界等温线上的拐点。（2）观察临界现象。1）临界乳光现象保持临界温度不变，摇进活塞杆使压力升至 Pc 附近处，然后突然摇退活塞杆（注意，勿使试验台本体晃动）降压，在此瞬间玻璃管内将出现圆锥形的乳白色的闪光现象，这就是临界乳光现象。这是由于 CO2 分子重力作用沿高度分布不均和光的散射所造成的。可以反复几次观察这个现象。2）整体相变现象由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和蒸汽线和饱和液相线接近合于一点。这时汽液的相互转变不是像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；而这时当压力稍有变化时，汽液是以突变的形式相互转化。3）汽液两相模糊不清的现象处于临界点的 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。处于临界温度附近，如果按等温线过程，使 CO2 压缩或膨胀，则管内是什么也看不到的。现在，按绝热过程来进行。先调节压力等于 7.4Mpa（临界压力）附近，突然降压（由于压力很快下降，毛细管内的 CO2 未能与外界进行充分的热交换，其温度下降），CO 2 状态点不是沿等温线，而是沿绝热线降到二相区，管内 CO2 出现明显的液面。这就是说，如果这时管内的 CO2 是气体的话，那么，这种气体离液相区很接近，是接近液态的气体；当膨胀之后，突然压缩 CO2 时，这个液面又立即消失了。这就告诉我们，这时 CO2 液体离汽相区也很接近，是接近气态的液体。此时 CO2 既接近气态，又接近液态，所以只能是处于临界点附近。临界状态的流体是一种汽液分不清的流体。这就是临界点附近汽液模糊不清的现象。7、测定高于临界温度（t=40）时的定温线。将恒温水浴调至 40，按上述方法和步骤测出临界等温线1. 恒温水的温度应稳定足够长的时间，使毛细管内外的温度均衡后再开始测量数据。2. 增大油压时，使毛细管内水银面缓缓上升，要保持缓慢压缩。3. 维持温度不变，调整若干次压力，压力间隔一般可取 5bar 左右，在接近饱和状态或临界状态时应取 0.5bar。4. 除 t=20时，须加压至绝对压力为 102bar（100ata）外，其余各等温线均在5090 间测出 h 值，绝对不允许表压超过 102bar。5实验结束卸压时，应使压力逐渐下降， 不得直接打开油杯阀门卸压。 图 33 压缩室本体示意图 6实验完毕将仪器擦净，恢复原状。 1玻璃毛细管 2水银室 3压力油室 4温度计 5恒温水套苏净集团携手合肥工业大学研究应用二氧化碳热泵技术苏净集团携手合肥工业大学研究应用二氧化碳热泵技术 日前，苏净集团