热工实验的原理分析.docx

第 3 章 热工实验的原理分析热工实验，指的是一门针对能源动力领域的综合性实验学科这门学科为充 分认识与掌握《工程热力学》、《工程动力学》以及《传热学》等多门以热力学为 基础的专业理论知识供应了一个良好的平台能够帮助学生了解热工实验的主要 方式以及检测技巧，锻炼大学生的综合素质以及创新实验水平，为之后从事相关 类型的工作和学习打下了坚实的理论基础与实践经验在本次设计中，计划虚拟 化的是二氧化碳P-V-T检测，临界状态反应(Experiment of C02)以及平板法绝 缘材料热传导指数检测(Measuring thermal conductivity of adiabatic material in flat)因为虚拟测试操作的特殊性，在本文中，将之前的实验的操作与流程做出 一系列的改变从而方便系统程序的编码以及功能的运行3.1二氧化碳P-V-T关系测定及临界状态观测3.1.1 实验原理及优化可压体系处于平衡条件的时候，它的状态指数，压强P、比容量V以及温度T 相互之间具有着一定的关系，其状态方程如下F (p, v, T) = 0 (°或卩=f(V,T) (2)在保持温度 T 恒定的时候，检测比容量和压强之间的对应关系，可以获得 一系列的恒温数据，进而绘制出P-V图。

当在临界温度之下的时候，等温线上会出现气液突变的直线线段，但是在理 想气体条件下，等温线应该是正双曲线，绝对不可能产生直线线段仅有在临界 温度之上，实际气体的等温线才有可能无线接近于理想气体的等温线因此，使 用理想气体推导的结论不能够用来解释说明实际气体的气液相突变以及临界状 态等问题CO2的临界压强是pc二73.87bar，临界温度是tc二3M °C当在临界温度之 下的时候，等温线开始产生气液相突变的直线线段，如下图1所示t = 30.9 C 是正好可以压缩生成液体二氧化碳的最大温度值在临界点的周围，会产生气液4C3C0 QJOaJLjmm 0.OG4 0.00t5 0008 0010 0 012^v 比容突变的现象在临界点之上的等温线都有一个斜率变化点，直到48.1 C以上，才 逐渐形成均匀光滑的曲线上世纪七十年代，外国著名化学家范德瓦尔提出了要对理想气体的状态方程 进行修改完善，他提出需要加入气体分子的实际体积以及气体分子之间的各种作 用力，提出如下计算方程：(P + f )(V - b) = RTV 2 mm针对CO2气体，可得a = 3. 5 9 ?atm兀 A2 / molA 2 ) b = 0. 0 4 2(6 7 L ) mol现在看来，范德瓦尔运算方程还是由不足之处，不够完美，但是它揭示了气 液两相的特征以及两相之间的突变原理。

在本次实验中，笔者也需要运用方程范 德瓦尔运算方程，使用恒温实验法来确定CO2的P-V作用，并且检测临界反应情 况范德瓦耳斯运算方程中，具有两个描述气体特征的系数a与b,因此a、b这两个系数都需要进行实验才可以确定，所以范德瓦耳斯运算方程只是一种经验方程，不可以确定实际气体的各类特点；除此在外，运算方程也只是简单地论述 了气相、液相的特性以及气相、液相突变，这就说明物质在低温条件下都是“永 久性液体”虽然有上述种种不足之处，范德瓦耳斯运算方程对实际气体的论述 还是比较详细充分的，特别是针对高密度条件下的气体，运算方程比理想气体方 程实用很多，但是范德瓦耳斯运算方程在气液相突变阶段没有具体的表述，所以 需要对其进行优化完善处理，令它可以应用在虚拟实验中实验设备主要有：测试本体、压力计以及恒温设备，如下图所示在实验过程里，压力台传输的压力油流入到高压器皿与玻璃杯中，导致杯里 的水银开始流入之前设置好的储存有二氧化碳的承压玻璃管中二氧化碳被充分 压缩，气体产生的压强与容积采用压力台中的活塞杆完成调节工作，温度则是通 过恒温设备提供的恒定水温来完成调节；实验中二氧化碳的压强通过配置在压力 台中的压力表获得。

实际温度是通过配置在水套上的温度计获得在下文中，笔 者将详细论述检测承压玻璃管中二氧化碳比容量的测定方法：因为添加到承压管中的二氧化碳质量检测起来很麻烦，而且压力管的直径或 者截面积测量起来也会产生误差，所以在本次实验里选用间接法来测定比容量： 分析可知，二氧化碳的比容量和它在承压管里的实际高度之间具有一定的内在联 系，操作方法如下所示：查表可知二氧化碳液体在某条件下的实际比容量表 二氧化碳液体比容的部分数据（单位： m3/kg ）压力(atm)温度(C)0102030400.001069500.0010590.00114600.0010500.001120.001276800.0010350.001100.0012120.0014071000.0010220.001080.0011700.001290例：T = 20°C、p = 100atm时，v二0.00117m3/kg检测这个实验台中CO2在以上条件下的液柱大小，记做Ah*(m)Ah * x Av 二m根据比容量的概念以及上式(1)，可得二 0.00117•/ T 二 20C、 p 二 100atm 时，(m3 /kg)m = - = k (kg/ m2)A 0.00117那么在随机温度、随机压强作用下，CO2的比容量都是v = =岂 (m3 / kg)mA k上式里Ah二|h - h0是随机温度压强下CO2的液柱高度， h -随机温度压强下的汞柱大小；h0-玻璃管内部顶端的刻度大小。