工质临界状态的观测.docx
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工质临界状态的观测
工质临界状态的观测
一、实验目的
1.掌握CO2的p-v-t关系的测定方法,学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。
2.增加对课堂所讲的工质热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。
3.掌握工质饱和温度与饱和压力关系的测定方法。
学会活塞式压力计、恒温器等热工仪器的正确使用方法。
4.了解工质临界状态的观测方法,增加对临界状态概念的感性认识。
5.通过实验理解饱和状态与临界状态的区别。
二、实验原理
在准平衡状态下,工质的压力P、比容V和温度t之间存在某种确定关系,即状态方程
理想气体的状态方程具有最简单的形式:
PV=RT
实际气体的状态方程比较复杂,目前尚不能将各种气体的状态方程用一个统一的形式表示出来(虽然已经有了许多在某种条件下能较好反映P、V、t之间关系的实际气体的状态方程。
)因此,具体测定某种气体的P、V、t关系,并将实测结果表示在坐标图上形成状态图,乃是一种重要而有效的研究气体工质热力性质的方法。
在平面的状态图上只能表达两个参数之间的函数关系,故具体测定时有必要保持某一个状态参数为定值,本实验就是在保持温度t不变的条件下进行的。
三、实验内容
1.设计数据记录及整理计算用的表格;
2.测定工质(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。
3.测定工质(CO2)的饱和温度与饱和压力关系,在p-t坐标系中绘出饱和温度与饱和压力关系曲线。
4.观测工质临界状态
(1)临界状态附近汽液两相模糊的现象。
(2)汽液整体相变现象。
(3)测定CO2的
、
、
等临界参数,并将实验所得的
值与理想气体状态方程和范德瓦尔方程的理论值相比教,简述其差异原因。
四、实验设备简介
整个实验装置由稳压系统、恒温系统和实验台本体及其防护罩等三大部分组成(如图一所示)。
图一实验装置示意图
试验台本体结构如图二所示。
其中1—高压容器;2—玻璃杯;3—压力机;4—水银;5—密封填料;6—填料压盖;7—恒温水套;8—承压汞容器;9—CO2空间;10—温度计。
、
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p、v、t之间有:
F(p,v,t)=0
或 t=f(p,v)
(1)
本实验根据式
(1),采用定温方法来测定CO2的p-v-t关系,从而找出CO2的p-v-t关系。
当工质处于饱和状态时,其状态参数p、t之间有:
F(p,t)=0
或 t=f(p)
(2)
本实验根据
(2)式,通过现象观察(即汽、液同时存在时,工质处于饱和状态。
),就可测出饱和温度与饱和压力之间的关系。
实验中,由压力台送来的压力由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了CO2气体的承压玻璃管内,CO2被压缩,其压力的大小可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来调节。
实验工质二氧化碳的压力,由装在压力台上的压力表读出。
温度由插在恒温水套中的温度计读出。
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、截面不变等条件来换算得出(承压玻璃管内径Φ1.5mm)。
五、实验步骤
1.按图一装好实验设备,并开启实验本体上的日光灯。
2.恒温器准备及温度调节:
(1)把水注入恒温器内,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)在温度控制器AL808E的控制面板上通过上下键设定好实验用的温度。
(3)此时控制面板上视水温情况,开、关加热器、制冷机组,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)观察温控仪显示的温度:
(与玻璃水套上的热电偶配套),既是承压玻璃管内的CO2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,开启压力台上油杯的进油阀。
(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,直至压力表上达到所要求的压力读数为止。
特别应注意以下情况,如螺杆已推进到极限位置,而压力尚未达到所需值,必须再一次抽油加压,此时要严格按以下程序操作,先关油路控制阀与压力表阀;再开油杯进油阀;倒退螺杆抽油至极限位置;然后关油杯进油阀,开压力表控制阀与油路控制阀(注意:
油路控制阀、压力表阀决不能同时处于开启状态!
),推进螺杆逐渐加压直到所需值。
(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.作好实验的原始记录:
(1)设备数据记录:
仪器、仪表名称、型号、规格、量程、精度。
(2)常规数据记录:
室温、大气压、实验环境情况等。
(3)承压玻璃管内CO2质量m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,因为CO2的比容V与其高度是一种线性关系。
具体方法如下:
a.已知CO2液体在20℃,9.8MPa时的比容
V(20℃,9.8Mpa)=0.00117M3·㎏。
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。
∴
其中:
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,当玻璃管内水银柱升起来后,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)在4.5MPa至9.8MPa之间按照适当的压力间隔保持不同的平衡状态并测取h值。
(4)注意加压后CO2的状态变化,特别是注意液化、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记录表中。
6.测定饱和温度与饱和压力之间的对应关系。
(1)将恒温器在20℃-30℃之间选取几个不同的温度点,并保持恒温。
(2)缓慢地摇进活塞螺杆(以足够保证定温条件),让压力从4.41Mpa开始慢慢增加,当玻璃管内水银面上汽态与液态的CO2同时存在时,停止供油5分钟左右,当压力温度都不再变化时,记录此时的压力与温度。
7.测定临界温度t=31.1℃时的定温线。
(1)将恒温器调定在t=31.1℃,并保持恒温。
(2)压力从4.41Mpa开始,当玻璃管内水银柱升起来后,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)在4.5MPa至9.8MPa之间按照适当的压力间隔保持不同的平衡状态并测取h值。
(4)注意加压后CO2的状态变化,特别是临界现象(在临界状态附近要多测些数据)。
要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入记录表中。
8.测定临界参数,并观察临界现象。
(1)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。
(2)观察临界现象。
临界温度指气体能通过加压压缩成液态的最高温度,当温度高于临界温度时,无论加多大的压力也不能使气体液化。
理论上CO2的临界温度是31.1℃,故实验时温度在此附近时,通过不断地加压能在某一个状态点(理论上此时对应的压力为7.52MPa看到水银柱上面出现少许白雾(液化)随后加压白雾消失,无论再怎么加压也不会出现在20℃-30℃之间所看到的汽液共存现象。
9.测定高于临界温度t=50℃时的定温线。
(1)将恒温器调定在t=50℃,并保持恒温。
(2)压力从4.41Mpa开始,当玻璃管内水银柱升起来后,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)在4.5MPa至9.8MPa之间按照适当的压力间隔保持不同的平衡状态并测取h值。
(4)注意加压后CO2的状态变化,是否还能观察到前面实验所看到的饱和现象与临界现象?
要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入记录表中。
六、注意事项
1.除t=20℃时,须加压到绝对压力10MPa(表压9.9MPa)外,其余各等温线均在5-9MPa间测出h值,表压不得超过10MPa,温度不应超过50℃。
2.一般压力间隔可取0.2―0.5MPa,接近饱和状态和临界状态时压力间隔适当取小些。
3.加压过程应足够缓慢以实现准平衡过程,卸压时与加压的操作步骤正好相反。
决不可直接打开油杯阀卸压!
4.实验完毕将仪器设备擦净。
将原始记录交指导教师签字后方可离开实验室。
5.遇到疑难或异常情况应及时询问指导教师,不得擅自违章处理。
七、实验结果处理和分析
1.将计算结果所得数据在p-v坐标系中画出三条等温线。
2.将实验测得的等温线与附图中所对应的标准等温线比较,并分析它们之间的差异及原因。
3.将所测的饱和温度与饱和压力对应值画在p-t坐标图上,并找出二者相互依变的趋势。
4.用文字描述你所看到的临界现象。
附图一:
附图二:
附表一:
临界比容Vc[m3/Kg]
标准值
实验值
Vc=RTc/Pc
Vc=3/8
RT/Pc
0.00216
附表二:
t=20℃
t=31.1℃(临界)
t=50℃
P
Δh
v
现象
P
Δh
v
现象
P
Δh
v
现象
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