实验一 二氧化碳临界状态观测及P－v－t 关系
一、实脸目的
l 、了解CO2认临界状态的观测方法，增加对临界 状态概念的感性认识。
2 、加深对课堂所讲的工质的热力状态、凝结、汽化、饱和抹态等基本概念的理解。
3 、掌握氏的P－v－t的关系的测定方法，学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。
4 、学会活塞式压力计、恒温器等部分热工仪器的正确使用方法。
二、实验内容
1、测定CO2的P－v－t的关系，在P－v坐标图绘出低于临界温度（t=20℃）、临界温度（t =31.1 ℃）和高干临界温度（t=20℃ 25℃）饱和温度与饱和压力之间的对应关系并与图四中绘出的t－P曲线比较。
2、观测临界状态
(1）临界乳光
(2）临界状态附近汽液两相模糊的理象
(3）汽液整体相变现象
(4）测定CO2的tc，Pc，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。
三、实验原理及设备
1 、整个实验装置由压力台．恒温器和试骏本体及其防护策三大部分组成，如图一所示：
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图一 CO2试验台系统图
(1)恒温器 (2)试验台本体 (3)压力台 |
2、试验台本体如图二所示．其中
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图二 试验台本体 |
1一高压容器； |
2一玻璃杯； |
3一压力油； |
4 一水银； |
5一密封填料； |
6一填料压盖； |
7一恒温水套； |
8一承压玻璃管； |
9一CO2空间； |
10一温度计。 |
3、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：
或
（l）
本试验就是根据式（l），采用定温方法来测定CO2－v之间的关系。从而找出CO2的P－v－t的关系。
4 、实验中由压力台送来的压力油进人高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进人预先装了CO2气体的承压玻璃管。CO2被压缩，其压力和容积通过压力台上的活塞杆进、退来调节，温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。
5、实验工质二氧化碳的压力由装在压力台上的压力表读出（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度量，而后再根据承压玻璃管内径均匀，截面积不变等条件换算得出。
四、实验步骤
1、按图一装好试验设备，并开启试验本体上的日光灯。
2、使用恒温器调定温度
(1）将蒸馏水注人恒温器内．注至离盖3一5cm 为止。检查并接通电路，开动电动泵，使水循环对流。
(2）旋转电接点温度计顶端的帽形磁铁调动凸轮示标使凸轮上端面与所要调定温度一致，要将帽形磁铁用横向螺钉锁紧，以防转动。
(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，当指示灯时亮时灭时，说明温度已达到所需恒温。
(4）观察玻璃水套上两支温度计．若其读数相同且与恒温器上的温度计及电接点温度计标定的温度一致时（或基本一致时）则可（近似）认为承压玻瑞管内的CO2温度处于所标定的温度。
(5）当需要改变试验温度时，重复（2）－（4）即可。
3 、加压前的准备
因为压力台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，所以备必认真掌握。其步骤如下：
(1）关闭压力表及进人本体油路的个阀门，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人本体油路的两阀门。
(4）摇进活塞螺杆，经本体充油，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．若均已德定即可进行实验。
4、做好实验的原始记录及注愈事项
(l）设备致据记录：
仪器：仪表的名称、觅号、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）测定承压玻璃管内CO2的质面比常数值。
由于充进承压玻璃管内的CO2的质量不便测量，而玻璐管内径或截面积（A）又不易测准，因而实验中是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。具体如下：
a）已知CO2的液体在20℃，100ata时的比容。v(20℃ l00ata)=0.00ll7m3/mg。
b）如前操作实地测出本试验台CO2的液体在20℃，100ata时时的CO2液柱高度Dh(m) （注意玻璃水套上刻度的标记方法）。
c)由a可知∵v(20℃ l00ata)= 
=0.00ll7m3/mg
∴
那么任意温度，压力下CO2的比容为：
式中Dh=h-h0
h一任意温度，压力下水银往高度,
h0一承压玻璃管内径顶端刻度。
(4）试验中应注意以下几点：
a）做各条定温线时．实验压力p ≤100 (ata)，实验温度t≤50（℃）。
b）一般测取h 时压力间隔可取5at 但在接近饱和状态和临界状态时．压力间隔应取为0.5at 。
c）实验中取h 时．水银柱液面高度的读数要注意．应使视线与水银柱半圆型液面的中间一齐。
(1）使用恒温器调定：t=20℃ 时的定温线
(2）压力记录从45at开始，当玻璃内水银升起来后，只能够缓慢地摇进活塞螺杆。以保证定温条件，否则来不及平衡，读数不准。
(3）按照适当的压力间播取h值至压力p=l000ata
(4）注意加压后，CO2变化，特别是注重饱和压力与饱和温度的对应关系，液经，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℃其饱和温度与饱和压力的对应关系。
6、测定临界等温线和临界参数，临界现象观察。
(l）仿照5那样测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力PC 临界比容vc，并将数据填人表1 。
(2）临界现象观察
a）保持临界温度不变，摇进活塞杆使压力升至78at附近处, 然后突然摇退活塞杆（注意勿使本体晃动）降压，在此瞬间玻璃管内将出现园椎状的乳白的闪光现象，这就是临界乳光现象，这是由于CO2分子受重力场作用沿高度分布不均和光的散所造成的，可以反复几次，观察这一现象。
b）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）因而是不能区别此时CO2是气态还是液态的。如果说它是气体．那么这个气体地接近了液态的气体；如果说它是液体，那么这个液体又是接近气态的液体。下面就来用实验证明这个结论。因为这里是处于临界温度下，如果按等温线过程进行来使CO2压缩或膨胀，那么管内是什么也看不到。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CO2状态点由等退线沿绝热线降到液区，管内CO2出现了明显的液面，这就说明，如果这里面的CO2是气体的话，那么这种气体离液区很接近，可以说是接近液态的气体；当我们在膨胀之后．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液体离气区也是非常近的，可以说是接近气态的液体，既然此时的CO2既接近气态又接近液态所以只能处于临界点附近。可以这样说，临界状态究如何，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。
7、测定高于临界温度t=50℃时的等温线，要将数据填入表1
CO2等温实验原始记录
t=20℃ |
t=31.1℃（临界） |
t=50℃ |
P(at) |
Dh |
v=Dh/K |
现象 |
P(at) |
Dh |
v=Dh/K |
现象 |
P(at) |
Dh |
v=Dh/K |
现象 |
45 |
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50 |
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100 |
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做出各等温线所需时间 |
分钟 |
分钟 |
分钟 |
五、绘制等温曲线与比较
1、按表1的数据仿图三在P－v图上画出三条等温线。
2、将实验测得的等温线与图三所示的标准等温线比较；并分析之间的差异及原因。
