工程热力学实验指导书1

工程热力学二氧化碳临界状态观测及P-V-T关系一、实验目的1、了解CO2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。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。4、学会活塞式压力计，恒温器等热工仪器的正确使用方法。二、实验内容1、测定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。2、测定CO2在低于临界温度（t=20、27）时饱和温度和饱和压力之间的对应关系，并与图四中的ts-ps曲线比较。3、观测临界状态（1）临界状态附近气液两相模糊的现象。（2）气液整体相变现象。（3）测定CO2的pc、vc、tc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教，简述其差异原因。三、实验设备及原理整个实验装置由压力台、恒温器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 试验台系统图 图二 试验台本体试验台本体如图二所示。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承压玻璃杯；9CO2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）本实验就是根据式（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。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，CO2被压缩，其压力和容器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（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。四、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）、入恒温器内，注至离盖3050mm。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，使凸轮上端面与锁要调定的温度一致，再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，当指示灯时亮时灭闪动时，说明温度已达到所需要恒温。（4）、观察玻璃水套上的温度计，若其读数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），则可（近似）认为承压玻璃管内的CO2的温度处于所标定的温度。（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）测定承压玻璃管内CO2质量不便测量，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，认为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20，9.8MPa时的比容V（20，9.8Mpa）=0.00117m3/。b）实际测定实验台在20，9.8Mpa时的CO2液柱高度h0（m）。（注意玻璃管水套上刻度的标记方法）c）V（20，9.8Mpa）= 其中：K即为玻璃管内CO2的质面比常数。所以，任意温度、压力下CO2的比容为： （m3/kg） 式中，h=h-h0 h任意温度、压力下水银柱高度。 h0承压玻璃管内径顶端刻度。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）按照适当的压力间隔取h值，直至压力p=9.8MPa。（4）注意加压后CO2的变化，特别是注意饱和压力和饱和温度之间的对应关系以及液化、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表1。（5）测定t=20、27时其饱和温度和饱和压力的对应关系。6、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，并将数据填入表1。（2）观察临界现象。a）整体相变现象由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合于一点，所以这时汽液的相互转变不是象临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为渐变过程，而这时当压力稍在变化时，汽、液是以突变的形式相互转化。b）汽、液两相模糊不清的现象处于临界点的CO2具有共同参数（p,v,t），因而不能区别此时CO2是气态还是液态。如果说它是气体，那么，这个气体是接近液态的气体；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。因为这时处于临界温度下，如果按等温线过程进行，使CO2压缩或膨胀，那么，管内是什么也看不到的。现在，我们按绝热过程来进行。首先在压力等于7.64Mpa附近，突然降压CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内CO2出现明显的液面。这就是说，如果这时管内的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接近的，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，所以能处于临界点附近。可以这样说：临界状态究竟如何，就是饱和汽、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时的定温线。将数据填入原始记录表1。五、实验报告要求1、按表1的数据，如图三在p-v坐标系中画出三条等温线。2、将实验测得得等温线与图三所示的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及原因。3、将实验测得的饱和温度与压力的对应值与图四给出的ts-ps曲线相比较。4、将实验测定的临界比容Vc与理论计算值一并填入表1，并分析它们之间的差异及其原因。临界比容Vcm3/Kg 表1标准值实验值Vc=RTc/PcVc=0.00216CO2等温实验原始记录表t=20t=31.1（临界）t=50p(Mpa)hv=h/K现象p(Mpa)hv=h/K现象p(Mpa)hv=h/K现象进行等温线实验所需时间 分钟分钟分钟图三 标准曲线 图 四 CO2饱和温度和压力关系曲线气体定压比热测定实验气体定压比热的测定是工程热力学的基本实验之一。实验中涉及温度、压力、热量（电功）、流量等基本量的测量；计算中用到比热及混合气体（混空气）方面的知识。本实验的目的是增加热物性研究方面的感性认识，促使理论联系实际，以利于培养同学分析问题和解决问题的能力。一、实验目的和要求1. 了解气体比热测定装置的基本原理和构思。2. 熟悉本实验中的测温、测压、测热、测流量的方法。3. 掌握由基本数据计算出比热值和求得比热公式的方法。4. 分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。二、实验装置和原理装置由风机、流量计、比热仪主体、电功率调节及测量系统等四部分组成（如图一所示）。图一 实验装置比热仪主体如图二所示。实验时，被测空气（也可以时其它空气）由风机经流量计送入比热仪主体，经加热、均流、旋流、混流后流出。在此过程中，分别测定：空气在流量计出口处的干、湿球温度（t0，tw）；气体经比热仪主体的进出口温度（t1，t2）；气体的体积流量（V）；电热器的输入功率（W）；以及实验时相应的大气压（B）和流量计出口处的表压（h）。有了这些数据，并查用相应的物性参数，即可计算出被测气体的定压比热（Cpm）。气体的流量由节流阀控制，气体出口温度由输入电热器的功率来调节。本比热仪可测300以下的定压比热。图二 比热仪主体三、实验步骤和数据处理1. 接通电源及测量仪表，选择所需的出口温度计插入混流网的凹槽中。2. 摘下流量计上的温度计，开动风机，调节节流阀，使流量保持在额定值附近。测出流量计出口空气的干球温度（t0）和湿球温度（tw）。3. 将温度计插回流量计，调节流量，使它保持在额定值附近。逐渐提高电热器功率，使出口温度升高至预计温度可以根据下式预先估计所需电功率： 式中：W为电热器输入电功率（瓦）； t为进出口温度差（）； 为每流过10升空气所需的时间（秒）。4. 待出口温度稳定后（出口温度在10分钟之内无变化或有微小起伏，即可视为稳定），读出下列数据，每10升空气通过流量计所需时间（,秒）；比热仪进口温度即流量计的出口温度（t1,）和出口温度（t2）；当时相应的大气压力（B，毫米汞柱）和流量计出口处的表压（h，毫米汞柱）；电热器的输入功率（W，瓦）。5. 根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度,从湿空气的干湿图查出含湿量(d,克/公斤干空气)，并根据下式计算出水蒸气的容积成分： 6