主（zhǔ）頁 > 技術文章 > 二氧化碳PVT關係測定實（shí）驗（yàn）指（zhǐ）導書 2025-07-09

二氧化碳PVT關係測定實驗指導書

一、實驗目的（de）
1.了解CO₂臨界狀態的觀測方（fāng）法（fǎ），增加對臨界狀（zhuàng）態概念的感（gǎn）性認識。
2.增（zēng）加對課（kè）堂所（suǒ）講的工質熱力狀態、凝（níng）結、汽化、飽和（hé）狀態等基本概念的理解。
3.掌握CO₂的p-v-t關係的測定方法，學會用實驗測定實際氣體狀態變化規（guī）律的方法和技巧。
4.學會（huì）活塞式壓力（lì）計，恒溫器等熱工儀器的正確使用方法。
二、實驗內容
1.測定CO₂的p-v-t關係。在p-v坐標係中（zhōng）繪出低（dī）於（yú）臨界（jiè）溫度（t=20℃）、臨界溫度（t=31.1℃）和高於臨界（jiè）溫度（t=50℃）的三條等溫曲（qǔ）線，並與標準實驗曲線及理論計算（suàn）值相比較，並（bìng）分（fèn）析其差異（yì）原因。
2.測定CO₂在低於臨界溫度（t=20℃、27℃）飽和溫度和飽和（hé）壓力之間的對應（yīng）關係，並與圖四中（zhōng）的t_s-p_s曲線比較。
3.觀測臨界狀態
1）臨界狀態附近氣液兩相模糊的（de）現（xiàn）象。
2）氣液整體相變現象。
3）測定CO₂的p_c、v_c、t_c等臨界參數，並將實驗（yàn）所得（dé）的v_c值與理想氣體狀態方（fāng）程和範德瓦爾方程（chéng）的理（lǐ）論值相比教，簡述其差異原因。
三、實驗設備及原理
整個實驗裝置（zhì）由壓力台、恒溫器（qì）和實驗台（tái）本體及其防護罩等三（sān）大（dà）部分組（zǔ）成（如（rú）圖一所示）。

圖一試（shì）驗台係（xì）統圖

圖二試驗台本體（tǐ）
試驗台本體如圖二所示（shì）。其中1—高壓容器（qì）；2—玻璃杯；3—壓力機；4—水銀；5—密封填料；6—填料壓（yā）蓋；7—恒溫水套；8—承壓玻璃杯；9—CO₂空間；10—溫度計。、
對簡單可壓縮熱力係（xì）統，當（dāng）工質處於平衡狀態時，其狀態參數p、v、t之間有：
F(p,v,t)=0
或t=f(p,v) （1）
本實（shí）驗就是根據式（1），采用定溫方法來（lái）測定CO₂的p-v-t關（guān）係，從而找出CO₂的p-v-t關係。
實驗中，由壓力台送來的壓力由壓力油進入高壓容器和玻璃杯上半部，迫使水銀進入預先裝了CO₂氣體的承壓玻璃管，CO₂被壓縮，其壓力和容器通過壓力台上的活塞杆的進、退來調節。溫度由恒溫器供給的水套裏的（de）水溫來調節。
實驗工質二氧化（huà）碳的壓力，由裝在壓力台上的壓力表讀（dú）出（如要提高精度，可由加在活（huó）塞轉盤上的平衡砝碼（mǎ）讀出，並考慮水（shuǐ）銀柱高度的修（xiū）正）。溫（wēn）度由插在恒溫水套中的溫度計讀出。比（bǐ）容首先由承壓玻璃管內二氧化碳柱的高度來（lái）測量，而後再根據承壓（yā）玻璃管內徑均勻（yún）、截麵不變（biàn）等條件來換算得出。
四、實驗步驟
1.按圖（tú）一裝好實驗設備，並開啟實驗本體上的日光燈。
2.恒溫器準備及溫度調（diào）節：
1）入恒溫器內，注至離蓋30～50mm。檢查（chá）並接通電路，開動電動泵，使水循（xún）環對流。
2）使用電接點溫（wēn）度計時，旋轉電（diàn）接點溫度計（jì）頂端的帽形磁鐵，調動凸輪示標，使凸輪上端麵與（yǔ）鎖要調定的溫度一致，再將帽形磁鐵用橫向螺釘鎖緊，以防轉動。使（shǐ）用（yòng）電子控溫裝置時，按麵板溫度調節（jiē）裝置調整溫度點。
3）視（shì）水（shuǐ）溫情況，開、關加熱器，當水溫未達到要調定的溫度時，恒溫器指示（shì）燈是亮（liàng）的，當指示燈時亮時滅閃動時，說（shuō）明溫度已達到所需要恒溫。
4）觀察玻璃水套上的溫度計，若其讀數與恒溫器上的溫度計及電接點溫度計標（biāo）定的溫度一致時（shí）（或基本一致），則可（近似）認為承壓玻璃管（guǎn）內的CO₂的（de）溫度處於所標（biāo）定的溫度。
5）當所需要改變實驗溫（wēn）度時，重複（2）～（4）即可。
3.加壓前的準備：
因為壓力台的油缸容量比容器容量小，需要多次從油杯裏抽（chōu）油，再向主容器充油，才能使壓力表顯示壓力讀數。壓力台抽油、充油（yóu）的操作過程非常重要，若操作失誤，不但加不上壓力，還會損壞試驗設備。所以，務必認真掌握，其（qí）步驟如下：
1）關閉壓力表及（jí）其進入本體油路的兩個閥門，開啟壓力台上油杯的進油閥。
2）搖退壓力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部（bù）退出。這時（shí），壓力台油缸中抽滿了油（yóu）。
3）先關閉油杯閥門，然後開啟壓力表和進入本體油路的兩個閥門。
4）搖進活塞螺杆，使本體充油。如此交（jiāo）複，直至壓力表上有壓力讀數為止。
5）再（zài）次檢查油杯閥門是否關好，壓力表及（jí）本體油路閥門是否開啟。若均已調定後（hòu），即可進行實（shí）驗。
4.作好實（shí）驗的原始（shǐ）記錄：
1）設（shè）備數據記錄：儀器、儀表（biǎo）名稱、型號、規格、量程、精度。
2）常規數據記錄：室溫、大氣壓、實驗環境情（qíng）況等。
3）測（cè）定承壓玻璃（lí）管內CO₂質量不便（biàn）測量，而玻璃管內徑或截麵積（A）又不易測準（zhǔn），因而實驗中采用間接辦法來確定CO₂的比容，認為CO₂的比容V與其高度是（shì）一種線性關係。具體（tǐ）方法如下（xià）：
a.已知（zhī）CO₂液（yè）體在（zài）20℃，9.8MPa時的比容V（20℃，9.8Mpa）=0.00117m³/kg。
B.實（shí）際測定實驗台在20℃，9.8Mpa時的（de）CO₂液柱高度Δh₀（m）。（注意玻璃管水套上刻度的標記方法（fǎ））
c.∵V（20℃，9.8Mpa）=

∴

其中（zhōng）：K——即為玻璃（lí）管內CO₂的質麵比常數。
所以（yǐ），任意（yì）溫度、壓力下CO₂的比容為（wéi）：

_（m3/kg）
_{式中，Δh=h-h0}
_{h——任意溫度、壓力下水銀柱高度。}
_{h0——承壓玻璃管（guǎn）內徑頂端刻度。}
5.測定低於臨界溫度t=20℃時的定溫線（xiàn）。
1）將恒溫器調（diào）定（dìng）在t=20℃，並保持恒溫。
2）壓力從4.41Mpa開始，當玻璃管內水銀柱升起來後，應（yīng）足夠緩（huǎn）慢地搖進活塞螺杆，以（yǐ）保證（zhèng）定（dìng）溫條件。否（fǒu）則，將來不及平衡（héng），使讀數不準。
3）按照適當的壓力（lì）間隔取h值，直至壓力p=9.8MPa。
4）注意加壓後CO₂的變化，特（tè）別是（shì）注意飽和壓力和飽和溫度之間的對應關係以及液化（huà）、汽化等現象。要將測得的（de）實驗（yàn）數據及觀察到的（de）現（xiàn）象一並填入表1。
5）測定t=25℃、27℃時其飽和溫（wēn）度和飽和壓力的對應關係。
6.測定臨界參（cān）數，並觀察臨界現象。
1）按上述方法和（hé）步驟測出臨界等溫線，並在該曲線的拐點（diǎn）處找出臨界（jiè）壓（yā）力p_c和臨界比容v_c，並將數據填（tián）入（rù）表1。
2）觀察（chá）臨界現象。
a.整體相變現象
由於在臨界點（diǎn）時，汽化潛熱等於零，飽和汽線和飽和（hé）液線合於一點，所以這時（shí）汽液的相互轉（zhuǎn）變不是象臨界溫度以下（xià）時那樣逐漸積累，需要一定的時間，表現為漸（jiàn）變過程，而這時當（dāng）壓力稍在變化時，汽、液是以突變的形式相互轉化。
b.汽（qì）、液兩相模（mó）糊不清的（de）現象
處於臨（lín）界點的CO₂具有共同參數（p,v,t），因而不能區別此時CO₂是氣態還是液態。如果說它（tā）是氣（qì）體，那（nà）麽，這個氣體是接近液態的氣體；如（rú）果說它是液體，那麽，這（zhè）個液體又是接近氣態的液體。下麵就來用實驗證明這個結論。因為這（zhè）時處於臨界（jiè）溫度下，如果按等溫線過程進行，使CO₂壓縮或膨脹，那麽，管內是什麽也看不到的。現在，我們按絕熱過程來（lái）進行。首先在壓力等於7.64Mpa附近，突然（rán）降壓CO₂狀態點由等溫線沿（yán）絕熱線降到液區，管內CO₂出（chū）現明顯的液麵。這就是說，如果這時管內的CO₂是氣體的話，那麽，這種（zhǒng）氣體離液區很接近，可以說是（shì）接近液態的氣體；當（dāng）我們在膨脹（zhàng）之後，突然壓縮CO₂時，這個液麵又立即消失了。這就（jiù）告訴我們，這時CO₂液體（tǐ）離氣區也是（shì）非常接近的，可以說（shuō）是接近（jìn）氣態的液體。既然，此時的CO₂既接近氣（qì）態，又接近液態，所以能處於臨界點附（fù）近（jìn）。可以這（zhè）樣說：臨界狀態究竟如何，就是飽（bǎo）和汽、液分不清。這（zhè）就是（shì）臨界點附近，飽（bǎo）和汽、液模糊（hú）不清的現象。
7.測定高於臨界溫度（dù）t=50℃時的定溫線。將數（shù）據填入原始記錄表1。
五、實驗結果處理和分析
1.按（àn）表1的數據，如圖三在p-v坐標係中畫出三（sān）條等溫線。
2.將實驗測得的等溫線與圖三所示的標（biāo）準等溫線比較，並（bìng）分析它們之間的差異及（jí）原（yuán）因。
3.將（jiāng）實驗（yàn）測得的飽（bǎo）和溫度（dù）與壓力的對（duì）應值與（yǔ）圖四給出的（de）t_s-p_s曲線相比較。
CO₂等溫實驗（yàn）原始記錄表1

t=20℃				t=31.1℃（臨界）				t=50℃
p (Mpa)	Δh	v=Δh/K	現象	p (Mpa)	Δh	v=Δh/K	現象	p (Mpa)	Δh	v=Δh/K	現象




進行（háng）等溫線實（shí）驗所需時（shí）間
分鍾				分鍾				分鍾

圖三標準（zhǔn）曲線

4.將實驗測定（dìng）的臨界比容V_c與理論計算值一並填入表（biǎo）2，並分析它（tā）們之間的差異及其原（yuán）因。
臨界比（bǐ）容V_c[m³/Kg] 表2

標準值	實（shí）驗值	V_c=RT_c/P_c	V_c=3/8	RT/P_c
0.00216

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