2023年热工学实践试验3

本文格式为Word版，下载可任意编辑——2023年热工学实践试验32023年热工学实践试验内容

试验3二氧化碳气体P-V-T关系的测定

一、试验目的

1.了解CO2临界状态的观测方法，加强对临界状态概念的感性认识。

2.稳定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.把握CO2的P-V-T间关系测定方法。观测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。

二、试验任务

1．测定CO2气体基本状态参数P-V-T之间的关系，在P—V图上绘制出t为20℃、31.1℃、40℃三条等温曲线。

2．观测饱和状态，找出t为20℃时，饱和液体的比容与饱和压力的对应关系。3．观测临界状态，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．根据试验数据结果，画出实际气体P-V-t的关系图。

三、试验原理

1．有关实际气体的基本概念：

（1)蒸发：任何温度下在液体表面进行的汽化现象，温度愈高愈猛烈。

（2）沸腾：沸腾是在给定压力所对应的温度下发生并伴随着大量汽泡产生的汽化现象。

（3）凝结:物质由汽态转变为液态的过程。凝结的速度取决于空间蒸汽的压力。

（4）饱和状态：液面上蒸气空间中的蒸气和液体两相达到动态平衡的状态。(右图所示)2．水蒸汽的定压发生过程：

（1）饱和温度和饱和压力：处于饱和状态的汽、液温度一致，称为饱和温度ts，蒸汽的压力称为饱和压力ps。

ts上升，ps增大；ps增大，ts上升。

结论：一定的饱和温度对应于一定的饱和压力，反之也成立，即两者间存在单值关系：

ps?f(ts)

水蒸气：ps=0.101325MPa，ts=100oC

3．水蒸气的定压发生过程：

五态：未饱和液、饱和液、湿蒸汽、饱和蒸汽、过热蒸汽

汽化潜热r：汽化阶段饱和水转变为干饱和蒸汽所需热量。过热热：过热阶段干饱和蒸汽转变为过热蒸汽所需热量。液体热：预热阶段由未饱和水转变为饱和水所需热量。

tTc，无论p多大，水蒸气都不会液化。

分析水蒸气的相变图线可见，上、下界限说明白水汽化的始末界限，二者统称饱和曲线它把p-v和T-s图分为三个区域，即液态区(下界限左侧)、湿蒸汽区(饱和曲线内)、汽态区(上界限右侧)。此外，习惯上常把压力高于临界点的临界温度线作为“永久〞气体与液体的分界限。所以，水蒸气的相变图线，可以总结为一点(临界点)、二线(上界限、下界限)、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。

5．水蒸气的h-s图

利用水蒸气热力性质表确定状态参数的特点是确切度高，但由于表中所列数据不连续，往往需要繁杂的内插计算，尤其当已知参数不是基本参数（压力或温度）、或分析过程需要跨越两相状态时，内插计算十分繁杂。因此，工程上更常用的是热力性质图。

主要用于过程的能源转换分析。

C为临界点，ca为下界限，cb为上界限，湿蒸汽区的定压线就是定温线。1）定压线群（下图）：

1.在液相区定压线与饱和液线近乎重合。

2.在湿蒸汽区定压线就是定温线，T=Ts，为斜直线。

3.过热蒸汽区，定压线斜率随T升高而增大，形成上跷的曲线。

2）定温线群（右图）：

1．在湿蒸汽区，等温是斜直线，与等压线重合线。

2．在过热蒸汽区，等温线较等压线平坦，低压时趋于水平。

3）等容线群（如右图）1.等容线比等压线陡

2.随着比体积值的增大定容线由图上压力较高的左上方向压力较低的右下方移动。

4）等干度线

在湿蒸气区干度x相等的状态点的连线。

6.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，p=0.0108kPa时,ts?0℃；当p=101.325kPa时,ts?100℃。ts和ps之间的关系，由试验或经验公式确定。

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，

x?mvmw?mv

mv-湿蒸气中干饱和蒸气的质量；mw-湿蒸气中饱和水的质量。

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

＂U??U＇＋Ｕ＂Ｈ?＝Ｈ＇＋Ｈ＇＂Ｓ?＝Ｓ＋Ｓ＂Ｖ?＝Ｖ＇＋Ｖ

引入干度的关系式，可得

?xv???(1?x)v??v??x(v???v?)；?xv??（当p不太大，x不太小时）hx?xh???(1?x)h??h??x(h???h?)?h??xr；

rsx?xs???(1?x)s??s??x(s???s?)?s??x；

Tsux?(1?x)u'?xu\?u'?x(u\?u')

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，求得湿饱和蒸汽相应状态参数的数值。

7.理想气体状态方程：PV=RT

实际气体：由于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：

?a????v?b??RT（3-1）p?2v??式中:a/v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:

pv?(bp?RT)v?av?ab?0（3-2）

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做试验说明白这个现象，他在