-.z.專業(yè)：專業(yè)：姓名：**：日期：地點(diǎn)：課程名稱：化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師：成績(jī)：________________實(shí)驗(yàn)名稱：CO2臨界狀態(tài)觀測(cè)及PVT關(guān)系測(cè)試實(shí)驗(yàn)類型：熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)同組學(xué)生姓名：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蠖?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理三、主要儀器設(shè)備四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析七、討論、心得裝訂裝訂線一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解CO2臨界狀態(tài)的觀測(cè)方法，增加對(duì)臨界狀態(tài)概念的感性認(rèn)識(shí)；2．掌握CO2的P-V-T關(guān)系的測(cè)定方法。學(xué)會(huì)用實(shí)驗(yàn)測(cè)定實(shí)際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法和技巧；3．加深對(duì)流體的凝結(jié)、汽化、飽和狀態(tài)等熱力學(xué)根本概念的理解；4．掌握有關(guān)儀器的正確使用方法。二、實(shí)驗(yàn)原理對(duì)簡(jiǎn)單可壓縮熱力系統(tǒng)，當(dāng)工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時(shí)，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(shí)驗(yàn)就是根據(jù)〔1〕，采用定溫方法來測(cè)定CO2的P-V之間的關(guān)系，從而找出CO2的P-V-T的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中由壓力臺(tái)送來的壓力油進(jìn)入高壓容器和玻璃杯上半部迫使水銀進(jìn)入預(yù)先裝了CO2氣體的承壓玻璃管，CO2被壓縮。壓力通過壓力臺(tái)上的活塞桿的進(jìn)、退來調(diào)節(jié)；溫度由供應(yīng)水夾套的超級(jí)恒溫水浴調(diào)節(jié)控制。實(shí)驗(yàn)中工質(zhì)二氧化碳的壓力由裝在壓力臺(tái)上的壓力表讀出，溫度由插在恒溫水套中的溫度計(jì)讀出，比容首先由承壓玻璃管內(nèi)CO2柱的高度來度量，而后再根據(jù)承壓玻璃管內(nèi)徑均勻，截面積不變等條件換算得。承壓玻璃罐內(nèi)CO2的質(zhì)量面積比常數(shù)k值的測(cè)量方法：由于充進(jìn)承壓玻璃管內(nèi)的CO2質(zhì)量不便測(cè)量，而玻璃管內(nèi)徑或面積〔A〕又不易測(cè)準(zhǔn)，因而實(shí)驗(yàn)中是采用間接方法來確定CO2的比容。認(rèn)為CO2的比容V與其高度是一種線性關(guān)系，具體如下：a)CO2液體在20℃，100atm時(shí)的比容b)實(shí)測(cè)本試驗(yàn)臺(tái)CO2在20℃，100atm時(shí)的CO2液柱高度Δh*〔m〕。c)由(a)可知，因?yàn)椋詣t任意溫度、壓力下CO2的比容為式中：——任意溫度、壓力下水銀柱高度——承壓玻璃管內(nèi)徑頂端刻度實(shí)驗(yàn)中注意：做各條定溫線時(shí)，試驗(yàn)壓力不大于100atm，否則承壓玻璃管有破裂的危險(xiǎn)；試驗(yàn)溫度不大于50℃。三、實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備實(shí)驗(yàn)裝置由壓力臺(tái)、恒溫器和試驗(yàn)本體及其防護(hù)罩三大局部組成，試驗(yàn)臺(tái)本體如下列圖所示：試驗(yàn)臺(tái)本體示意圖四、實(shí)驗(yàn)步驟1．開啟超級(jí)恒溫槽，調(diào)好所需要的恒溫溫度。2．砝碼式壓力計(jì)抽油，方法如下：〔1〕關(guān)閉壓力表及進(jìn)入本體油路的兩個(gè)閥門，開啟壓力臺(tái)上油杯的進(jìn)油閥?！?〕搖退壓力臺(tái)上的活塞螺桿，直至螺桿大部退出，這時(shí)壓力臺(tái)油缸中充滿了油?！?〕先關(guān)閉油杯閥門，然后開啟壓力表和進(jìn)入本體油路的兩個(gè)閥門。〔4〕搖進(jìn)活塞螺桿，使本體充油。如此反復(fù)以上步驟，直至壓力表上有壓力讀數(shù)為止?！?〕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，假設(shè)均已穩(wěn)妥即可進(jìn)展實(shí)驗(yàn)。3．測(cè)定溫度為20℃時(shí)的等溫線及〔20℃，100atm下〕K值。〔1〕壓力記錄從水夾套管上有刻度開場(chǎng)，當(dāng)玻璃管內(nèi)水銀升起來后，應(yīng)足夠緩慢地?fù)u進(jìn)〔退〕活塞螺桿，以保證定溫條件?！?〕仔細(xì)觀察CO2液化、汽化等現(xiàn)象。〔3〕仔細(xì)觀察、測(cè)定、記錄CO2最初液化和完全液化時(shí)的壓力及水銀柱高度?！?〕在測(cè)定等溫線時(shí)，可慢慢地?fù)u進(jìn)活塞，使壓力升至90atm左右，然后緩慢減低壓力。注意觀察現(xiàn)象，記錄數(shù)據(jù)。〔5〕求K值的操作為溫度為20℃時(shí)，將壓力升至100atm，此時(shí)的液柱高度即為Δh*(m)。4．在20℃～之間，測(cè)定CO2的飽和蒸汽壓和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系〔利用水浴升溫過程中測(cè)試，并要求測(cè)4～5個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，注意為減少系統(tǒng)誤差，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的液汽比應(yīng)盡量一致〕。5．測(cè)定CO2的臨界等溫線和臨界參數(shù)；觀察臨界現(xiàn)象。a〕測(cè)定臨界等溫線b〕臨界乳光現(xiàn)象觀察保持臨界溫度不變，搖進(jìn)活塞桿壓力升至Pc附近處，然后突然搖退活塞桿〔注意勿使試驗(yàn)本體晃動(dòng)〕降壓，在此瞬間玻璃管內(nèi)將出現(xiàn)圓錐狀的乳白色的閃光現(xiàn)象，這就是臨界乳光現(xiàn)象，這是由于CO2分子受重力場(chǎng)作用沿高度分布不均和光的散射所造成的，可以反復(fù)幾次來觀察這一現(xiàn)象。c〕整體相變現(xiàn)象由于臨界點(diǎn)時(shí)，汽化潛熱等于零，飽和汽線和飽和液線合與一點(diǎn)，所以這時(shí)汽液的相互轉(zhuǎn)變不是像臨界溫度以下時(shí)那樣逐漸積累，需要一定的時(shí)間，表現(xiàn)為一個(gè)逐變的過程，而這時(shí)當(dāng)壓力稍有變化時(shí)，汽、液是以突變的形式相互轉(zhuǎn)化。d〕汽、液兩相模糊不清現(xiàn)象處于臨界點(diǎn)時(shí)，CO2具有共同參數(shù)〔P、V、T〕，因而是不能區(qū)別此時(shí)CO2是氣態(tài)還是液態(tài)的。如果說它是氣體，則這個(gè)液體又是接近氣態(tài)的液體。我們可用實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)結(jié)論，因?yàn)檫@時(shí)是處于臨界溫度下，如果按等溫線過程進(jìn)展來使CO2壓縮或膨脹，則管內(nèi)是什么也看不到的?，F(xiàn)在我們按絕熱過程來進(jìn)展，使壓力等于臨界壓力突然降低，CO2狀態(tài)點(diǎn)由等溫線沿絕熱線降到液區(qū)，管內(nèi)CO2出現(xiàn)了明顯的液面，這就說明，如果這次管內(nèi)的CO2是氣體的話，則這種氣體離液區(qū)很接近，可以說是接近液態(tài)的氣體；當(dāng)在膨脹之后，突然壓縮CO2時(shí)，這個(gè)液面又突然消失了，這就告訴我們這時(shí)CO2既接近氣態(tài)又接近液態(tài)，所以只能處于臨界點(diǎn)附近，臨界狀態(tài)是一種汽液不分的流體。這就是臨界點(diǎn)附近飽和汽液模糊不清的現(xiàn)象。6．測(cè)定高于臨界溫度，如t=45℃時(shí)的等溫線。7．試驗(yàn)完畢，將油抽回，整理試驗(yàn)臺(tái)。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論1．K值確實(shí)定水銀柱起始高度h0=2.4cm，實(shí)驗(yàn)測(cè)得臨界溫度tC=31.5℃20℃、100atm下，測(cè)得水銀柱高度h1=5.6cm計(jì)算K值：2．等溫線數(shù)據(jù)記錄及處理表格SEQ表格\*ARABIC1溫度20℃下等溫線數(shù)據(jù)p/Mpa10h/cm716Δh/cmV/10-3m3·kg-11.1701.2071.6824.9736.6917.971計(jì)算例如：取溫度20℃，壓強(qiáng)5.65MPa下的數(shù)據(jù)點(diǎn)Δh=h-h1V=Δh/K=4.6/(100*27.3504)=1.682*10-3m3/kg表格SEQ表格\*ARABIC2臨界溫度℃下等溫線數(shù)據(jù)p/Mpah/cmΔh/cm5V/10-3m3·kg-11.4261.8283.693表格SEQ表格\*ARABIC3超臨界溫度℃下等溫線數(shù)據(jù)p/Mpah/cm9Δh/cmV/10-3m3·kg-12.4134.4246.545表格SEQ表格\*ARABIC4飽和線數(shù)據(jù)t/℃20p/Mpah/cmΔh/cm145V/10-3m3·kg-11.3895.1191.2076.6911.828作CO2的P-V曲線，如圖1圖圖SEQ圖\*ARABIC1實(shí)驗(yàn)測(cè)得CO2的P-V圖藍(lán)色線—t=20℃下等溫線；綠色線℃臨界溫度下等溫線；黑色線℃下等溫線；紅色線—飽和線；C點(diǎn)—臨界點(diǎn)將實(shí)驗(yàn)測(cè)得P-V圖與標(biāo)準(zhǔn)圖相比擬：圖SEQ圖\*ARABIC2CO2的標(biāo)準(zhǔn)P-V圖比擬圖1和圖2可以看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的等溫線與標(biāo)準(zhǔn)等溫線圖線趨勢(shì)根本吻合。但在實(shí)測(cè)圖中，存在曲線局部不平滑、等溫線在氣液平衡區(qū)不水平、兩條等溫線有所重疊等問題。造成差異的原因可能有：改變壓力后，讀數(shù)時(shí)水銀柱高度和壓強(qiáng)示數(shù)不完全穩(wěn)定，h、P值的讀取存在一定誤差；由于人為因素，對(duì)于CO2汽化和液化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)判斷存在誤差，使得飽和氣液相線和標(biāo)準(zhǔn)曲線有所差異；對(duì)臨界乳光現(xiàn)象的產(chǎn)生點(diǎn)的判斷亦存在一定誤差，使得Tc、Pc與標(biāo)準(zhǔn)值存在偏差。溫度計(jì)的選取的位置在CO2的套管外層，相當(dāng)于測(cè)量恒溫水的溫度，與CO2的真實(shí)溫度有一定偏差；4、實(shí)驗(yàn)中每條等溫線只有3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)不夠，只能大致畫出曲線趨勢(shì)而不能準(zhǔn)確畫出等溫線。5、P-V圖中在氣液平衡區(qū)內(nèi)，等溫線理論上應(yīng)水平，而實(shí)際20℃下測(cè)得的飽和液相與飽和氣相的壓強(qiáng)相差，猜測(cè)可能是由于實(shí)驗(yàn)裝置中以壓強(qiáng)為自變量進(jìn)展探究，壓強(qiáng)由油壓控制，CO2在液氣相變過程中要保持恒壓膨脹，需將水銀柱向外壓；在一定范圍內(nèi)，CO2能夠壓出水銀柱，保持恒壓膨脹；當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度時(shí)，由于油壓裝置的阻力，CO2無法將繼續(xù)水銀往外壓了，于是停留在了一定氣液平衡態(tài)；當(dāng)通過油壓裝置減小壓力時(shí)，CO2繼續(xù)汽化。猜測(cè)在這臺(tái)裝置下，假設(shè)將P-V圖的微觀表現(xiàn)出來，P是呈梯度很小的階梯狀下降的。3．飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)處理將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的飽和溫度和飽和壓力的對(duì)應(yīng)值擬合出Atonie常數(shù)并與資料上的數(shù)據(jù)進(jìn)展比擬：Antoine方程：〔A，B，C，T=273~304K〕t/℃20T/KP/MPalgPs理論〔Ps：kPa〕Ps理論/Mpa計(jì)算例如：以數(shù)據(jù)為例氣液平衡區(qū)壓力有變化，由上述P-V圖誤差分析第5點(diǎn)，我認(rèn)為應(yīng)以剛開場(chǎng)汽化時(shí)的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，由表格4得P=7.08MPalgPs理論P(yáng)s理論做出蒸汽壓曲線，圖3：圖圖SEQ圖\*ARABIC3理論P(yáng)-T與實(shí)驗(yàn)所測(cè)P-T曲線黑色—實(shí)驗(yàn)測(cè)得曲線；紅色—理論值曲線使用使用origin軟件以Antoine方程對(duì)飽和溫度和壓力數(shù)據(jù)進(jìn)展擬合，得下列圖。圖SEQ圖\*ARABIC4Antoine方程擬合曲線分析：Antoine方程形式為QUOTE，可得QUOTE，實(shí)驗(yàn)得到的三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)以方程QUOTE形式擬合時(shí)，無法收斂得到參數(shù)，故并未擬合出Antoine常數(shù)。猜測(cè)可能是由于數(shù)據(jù)點(diǎn)不夠。由圖3可得實(shí)測(cè)的蒸汽壓數(shù)據(jù)與利用文獻(xiàn)Antoine方程計(jì)算出的理論蒸汽壓數(shù)據(jù)非常接近，可以看出由在實(shí)驗(yàn)所測(cè)溫度范圍內(nèi)Antoine能較好地?cái)M合Ps和T的關(guān)系。4．臨界點(diǎn)數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)測(cè)得臨界參數(shù)：tc℃pc臨界比容：(1)實(shí)驗(yàn)測(cè)定值：Vc=△h/K=0.05/27.3504=1.828*10-3m3/kg(2)按理想氣體狀態(tài)方程：Vc=1000RTc/(MPc)=1000*8.314*(273.15+31.5)/(44*7380000)=7.80*10-3m3/kg(3)按范德華方程：Vc=3000RTc/(8MPc)=3000*8.314*(273.15+31.5)/(8*44*738000)=2.925*10-3m3/kg(4)教材給的值：Vc3/kmol=2.141*10-3m3/kg表格SEQ表格\*ARABIC5臨界比容實(shí)驗(yàn)測(cè)定值理想氣體狀態(tài)方程范德華方程理論值臨界比容10-3m3/kg由上述數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的臨界比容要小于1、2計(jì)算結(jié)果，與按范德華方程計(jì)算得到的數(shù)據(jù)較為接近，用理想氣體模型推算出來的值則相差很大；實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書所給的臨界參數(shù)值較為接近。由化工熱力學(xué)教材內(nèi)容可知，理想氣體的臨界壓縮因子Zc為1，而范德華爾斯方程的臨界壓縮因子Zc，實(shí)際流體的Zc在之間，明顯低于前兩者的Zc，故在一定的Pc、Tc下，由理想氣體方程和范德華爾斯方程計(jì)算的臨界比容Vc大于實(shí)際流體的Vc，反映了兩方程在描述實(shí)際流體P-V-T性質(zhì)方面有所缺乏，且說明臨界流體嚴(yán)重偏離理想流體狀態(tài)。六、討論、心得本次試驗(yàn)