实验3二氧化碳气体修改稿.doc

实验3 二氧化碳气体P-V-T关系的测定一、实验目的1. 了解CO2临界状态的观测方法，增强对临界状态概念的感性认识2. 巩固课堂讲授的实际气体状态变化规律的理论知识，加深对饱和状态、临界状态等基本概念的理解3. 掌握CO2的P-V-T间关系测定方法观察二氧化碳气体的液化过程的状态变化，及经过临界状态时的气液突变现象，测定等温线和临界状态的参数1．测定CO2气体基本状态参数P-V-T之间的关系，在P—V图上绘制出t为20℃、31.1℃、40℃三条等温曲线2．观察饱和状态，找出t为20℃时，饱和液体的比容与饱和压力的对应关系3．观察临界状态，在临界点附近出现气液分界模糊的现象，测定临界状态参数4．根据实验数据结果，画出实际气体P-V-t的关系图三、 实验原理水蒸汽的基本概念a、 汽化 是物质由液态变为气态的过程称为汽化汽化有蒸发和沸腾两种形式1）蒸发 在液体表面进行的缓慢的汽化现象称为蒸发它是液体表面附近动能较大的分子克服周围液体分子的引力而逸出液面的现象蒸发可在任何温度下发生，液体的温度越高，蒸发表面积越大，液面上蒸汽的分子数量越少，气流的流速越快时，蒸发就越快2）沸腾 在液体内部和表面同时进行的剧烈的汽化现象，称为沸腾。

沸腾可以在敞开的容器中进行，也可以在密闭的容器中进行，工业上涉及的液体汽化大多都是沸腾，而且沸腾大多是在密闭的容器中进行的b、凝结 物质由气态变为液态的过程称为凝结（液化）凝结与汽化是物质相态变化的两种相反过程，实际上，在密闭容器内进行的汽化过程，总是伴随着液化同时进行的c、汽化热在一定的压力下，每千克饱和水和水变成同温度的干饱和蒸汽所吸收的热量称为该温度下的汽化潜热，简称汽化热，以γ表示，单位为kJ/kg则： γ=h2-h1 式中 h1-----饱和水的焓值，单位为，kJ/kg； h2-----饱和蒸汽的焓值，单位为，kJ/kgd、凝结热每千克蒸汽转变成同温度的水所放出的热量称为凝结热凝结热和汽化热数值相等物质在不发生相态变化，只发生温度变化时吸收或放出的热量称为显热当然，物质在既有温度变化又有相态变化时，显热和潜热是同时存在的，二者之和称为全热 和分子间的相互作用力等因素范德华实际气体方程式 ： 1. 理想气体状态方程：PVm = RT实际气体：因为气体分子体积和分子之间存在相互的作用力，状态参数（压力、温度、比容）之间的关系不再遵循理想气体方程式了。

考虑上述两方面的影响，1873年范德瓦尔对理想气体状态方程式进行了修正，提出如下修正方程： （3-1）式中: a / v2是分子力的修正项；b是分子体积的修正项修正方程也可写成 : （3-2）它是V的三次方程随着P和T的不同，V可以有三种解：三个不等的实根；三个相等的实根；一个实根、两个虚根1869年安德鲁用CO2做试验说明了这个现象，他在各种温度下定温压缩CO2并测定p与v，得到了P—V图上一些等温线，如图2—1所示从图中可见，当t >31.1℃时，对应每一个p，可有一个v值，相应于（1）方程具有一个实根、两个虚根；当t =31.1℃时，而p = pc时，使曲线出现一个转折点C即临界点，相应于方程解的三个相等的实根；当t <31.1℃时，实验测得的等温线中间有一段是水平线（气体凝结过程），这段曲线与按方程式描出的曲线不能完全吻合这表明范德瓦尔方程不够完善之处，但是它反映了物质汽液两相的性质和两相转变的连续性2．简单可压缩系统工质处于平衡状态时，状态参数压力、温度和比容之间有确定的关系，可表示为： F（P，V，T）= 0或 v= f(P,T)可见，保持任意一个参数恒定，测出其余两个参数之间的关系，就可以求出工质状态变化规律。

如维持温度不变，测定比容与压力的对应数值，就可以得到等温线的数据 图3--1 二氧化碳的Ｐ-Ｖ-t关系3.水蒸气的基本感念（1)蒸发、沸腾汽化是物质由液相变成气相的现象蒸发是只在液体表面发生的缓慢的汽化现象沸腾是在液体表面和内部同时发生的剧烈的汽化现象2） 凝结 物质由汽态转变为液态的过程凝结的速度取决于空间蒸汽的压力3） 饱和状态 液相气相动态平衡状态②. 水蒸气的定压发生过程； a. 一个压力下的水蒸气发生过程； b. 不同压力下的水蒸汽发生过程； c. 水蒸汽状态图标的应用；4.水蒸汽的发生过程（1）饱和温度和饱和压力： 处于饱和状态的汽、液温度相同，称为饱和温度ts，蒸汽的压力称为饱和压力ps ts上升， ps上升； ps上升， ts上升结论：一定的饱和温度对应于一定的饱和压力，反之也成立，即两者间存在单值关系5.水的定压加热过程6. 水蒸汽定压生成过程中热量的计算 水的定压预热阶段 液体热》 汽化潜热 过热热量 未饱和水状态：液态水温度未达到沸点，加热时温度持续增加饱和水状态：水依然为液态，但温度达到沸点，继续加热温度不再增加，而是变为气态湿饱和蒸汽状态：水持续变为蒸汽，气液共存，继续加热温度不再增加干饱和蒸汽状态：水完全变为气态过热蒸气状态：水完全为气态，加热持续升温7、 水蒸气的p-v图和T-s图8、1） 在P-V图和T-S图中，a点为未饱和水状态，比体积为Vo,温度为Ta,熵为So 。

b点为饱和水状态，比体积为 V’温度为Ts , 熵为S’ c 点为湿蒸汽某一个状态，比体积为Vo，温度为Ts，熵为Sod点为干饱和蒸汽状态，比体积为V”，温度为Ts ,熵为S”e点为过热蒸汽的某一状态，比体积为V，温度为T，熵为S 2）其中a — b为未饱和水的定压预热阶段；b - d为饱和水的定压汽化阶段；d - e为饱和水蒸汽的过热阶段3）因生成水蒸汽的整个过程中压力P不变，故压力P在P-V图上为一水平线4）水蒸汽的整个过程分为三个阶段（预热阶段、饱和水定压汽化阶段、干蒸汽饱和定压过热阶段），故温度T在T-S图上，先是从a - b 预热阶段逐渐上升，待到b - d 汽化阶段时温度不变，继续加热到d - e 过热阶段时温度升高7、水蒸汽在不同压力生成过程在P-V图和T-S图表示 a、分析（图6-1）： 当压力P < Pc 时，图中1o—1’—1”—1 、2o—2’—2”—2、3o—3’—3”—3、连成的水平直线为不同压力下水蒸汽定压发生的过程线1o、2o、3o点为在不同压力下to时的未饱和水状态点；1’2’、3’点为不同压力下的饱和水状态点；1”、2”、3”为不同压力下干饱和蒸汽状态点；1、2、3点为不同压力下过热蒸汽状态点。

连接1o、2o、3o 三点连线，这条线为未饱和水线；连接1’、2’、3’三点连线AC线，这条线为饱和水线（或下界线）；连接1、2、3 三点连线CB线，这条线为干饱和蒸汽线（或上界线）当压力P=Pc时，此时处于临界状态，C点为临界点 临界点的各状态参数称为临界参数，临界压力为Pc＝22.129MPa、临界温度tc＝374.15℃、临界比热容Vc＝0.003147m3／kg )当压力P>Pc时，在饱和水线AC线（下界线）和Tc-C线的左侧，此时为未饱和水状态；Tc-C线和Pc定压线的右上侧，此时为汽液共存状态；Pc定压线和干饱和蒸汽线CB线（上界线）的右侧，此时处于过热蒸汽状态 BABA （图6-1） b、分析（图6-2）可知： 当 时： 一点：C点为临界点 两线：饱和液相线（A-C线）；干饱和汽相线（C-B线）将p-v图和T-S图分为：         三区：未饱和液体区、饱和湿蒸汽区、过热蒸汽区，分别是(图6-2)中I、II、III所示其中饱和液体线、干饱和蒸汽线和三相点定压线围成了饱和湿蒸汽区；饱和液体线、三相点定压线和临界点定温线围成了未饱和液体区；干饱和蒸汽线、临界点定温线靠右区域为过热蒸汽区。

需要注意的是：其他区域（蓝色）为气液不分的区域，即流体区域 五态：未饱和液体、饱和液体、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽 8.干度指每千克湿蒸汽中含有干蒸汽的质量百分数，而湿度是指每千克湿蒸汽中所含饱和水的质量百分比热力学中干度的定义是：汽液共存物中，汽相的质量分数或摩尔分数常用X表示湿蒸汽的干度和湿度都是大于0小于1的由于在饱和水蒸汽区中的湿饱和蒸汽的温度ts与压力Ps具有一定的函数关系，所以两者只能作为一个独立参数要确定湿饱和蒸汽的状态，还须另一个独立参数，一般采用“干度”作为参数，但也可以是其他的状态参数，如焓、熵、比体积中的任何一个干度：是湿饱和蒸汽和蒸汽与饱和水的混合物，即： 式中 mv---湿蒸汽中的饱和蒸汽的质量，单位为kg mw---湿蒸汽中的高河水的质量，单位为kg 对干度X的说明： x=0 为饱和液体；x=1 为干饱和蒸汽； 为湿饱和蒸汽在未饱和液体和过热蒸汽区域，x无意义由于湿饱和蒸汽实质上是干饱和蒸汽与饱和水的混合物，因此其热力学能、焓、熵及容积可表示为： 引入干度的关系式，可得：干度的计算方法： 根据已知压力和水蒸汽或温度，查饱和水或饱和水蒸汽表，得到及等参数，将参数代入上面的公式计算，最终可得到湿蒸汽区的状态参数。

将定压线上所有开始汽化的各点连接起来，形成曲线BC，成为下界线，下界线上各点相应于不同压力下的饱和水，因此下界线又称为饱和液体线它同时又是X=0的定干度线将定压线上所有企划完毕的各点连接起来，形成另一条曲线AC，称为上界线，上界线各点相应于不同压力下的饱和水蒸气，因此上界线又称为饱和水蒸气线下界线和上界线相交于临界点C，这样就形成了饱和曲线BCA所包围的饱和区（或称为湿蒸气区）超出饱和区的范围便不再有定压汽化过程P-V图上，影响V的主要是P和T，相对液态而言，T对V的影响比P的影响大，因而当P增加时，对应的饱和温度增加，则饱和水的体积增大，对气态而言，正好相反，因为，随着P的增加，饱和蒸汽的比体积减小，当P增加到一定值时，饱和水状态与干饱和蒸汽状态必然重合于一点分析水蒸气的相变图线可见，时：上、下界线表明了水汽化的始末界线，二者统称饱和曲线它把p-v和T-s图分为三个区域，即液态区(下界线左侧)、湿蒸汽区(饱和曲线内)、汽态区(上界线右侧)此外，习惯上常把压力高于临界点的临界温度线作为“永久”气体与液体的分界线所以，水蒸气的相变图线，可以总结为一点(临界点)、二线(上界线、下界线)、三区(液态区、湿蒸汽区、气态区)五态(和水状态、饱和水状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态、过热蒸汽2、水蒸气的饱和状态 饱和状态—饱和区内，饱和水和饱和水。