二氧化碳PVT關(guān)系的測定

1、實驗 2 二氧化碳臨界現(xiàn)象觀測及 PVT 關(guān)系的測定一.實驗目的1 .了解 CO2臨界狀態(tài)的觀測方法，增加對臨界狀態(tài)概念的感性認識；2 .加深課堂上所講的純流體熱力學狀態(tài)：汽化、冷凝、飽和態(tài)和超臨流體等基本概念的理解；3 .掌握 CO2的 PVT 關(guān)系的測定方法，熟悉用實驗測定真實氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法和技巧。二.實驗原理對純流體處于平衡態(tài)時，其狀態(tài)參數(shù) P、V 和 T 存在以下關(guān)系：F(P,V,T)=0 或 V=f(P,T)由相律，對純流體，在單相區(qū)，其自由度為 2,當溫度一定時，體積隨壓力而變化；在二相區(qū)，其自由度為 1,溫度一定時，壓力一定，僅體積發(fā)生變化。本實驗就是利用定溫的方法測定

2、CO2的 P 和 V之間的關(guān)系獲得 CO2的 P-V-T 數(shù)據(jù)。三.實驗裝置和流程實驗裝置由試驗臺本體、壓力臺和恒溫浴及防護罩組成。(參見圖 1)試驗臺本體如圖 2 所示。實驗中由壓力臺送來的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有CO2氣體的承壓玻璃管(毛細管),CO2被壓縮淇壓力和容積通過壓力臺上的活塞桿的進退來調(diào)節(jié)。溫度由恒溫水套的水溫調(diào)節(jié)，水套的恒溫水由恒溫浴供給。CO2的壓力由壓力臺上的精密壓力表讀出(注意：絕對壓力=表壓+大氣壓)，溫度由水套內(nèi)精密溫度計讀出。比容由 CO2柱的高度和質(zhì)面比常數(shù)計算出。四.實驗步驟1 .按圖 1 裝好試驗設(shè)備。2 .接通恒溫浴電源，調(diào)節(jié)

3、恒溫水到所要求的實驗溫度(以恒溫水套內(nèi)精密溫度計為準)。3 .加壓前的準備-抽油充油操作(1)關(guān)閉壓力表及其進入本體油路的二個閥門，開啟壓力臺上油杯的進油閥。(2)搖退壓力臺上的活塞螺桿，直至螺桿全部退出。此時壓力臺上油筒中抽滿了油。(3)先關(guān)閉油杯的進油閥，然后開啟壓力表及其進入本體油路的二個閥門。(4)搖進活塞桿，使本體充油。直至壓力表上有壓力讀數(shù)顯示，毛細管下部出現(xiàn)水銀為止。(5)如活塞桿已搖進到頭，壓力表上還無壓力讀數(shù)顯示，毛細管下部未出現(xiàn)水銀，則重復(1)-(4)步驟。(6)再次檢查油杯的進油閥是否關(guān)閉，壓力表及其進入本體油路的二個閥門是否開啟。溫度是否達到所要求的實驗溫度。如條件均

4、已調(diào)定，則可進行實驗測定。4 .測定承壓玻璃管(毛細管)內(nèi) CO2的質(zhì)面比常數(shù) K 值由于承壓玻璃管(毛細管)內(nèi)的 CO2質(zhì)量不便測量，承壓玻璃管(毛細管)內(nèi)徑(截面積)不易測準。本實驗用間接方法確定 CO2的比容。假定承壓玻璃管(毛細管)內(nèi)徑均勻一致，CO2比容和高度成正比。具體方法如下：(1)由文獻，純 CO2液體在 25C,7.8MPa 時，比容 V=0.00124m3/kg；(2)實驗測定本裝置在 25C,7.8MPa(表壓大約為 7.7MPa 時，CO2液柱高度為 Aho(=h-h0)o式中，ho-承壓玻璃管(毛細管)內(nèi)徑頂端的刻度(酌情扣除尖部長度)，h-25C,7.8MPa 下水

5、銀柱上端液面刻度。(注意玻璃水套上刻度的標記方法)(3)如 m-CO2 質(zhì)量，A-承壓玻璃管(毛細管)截面積，h測量溫度壓力下水銀柱上端液面刻度，K-質(zhì)面比常數(shù)，3則 25C,7.8MPa 下比谷 V=Aho*A/m=0.00124m/kg,K=m/A=Aho/0.00124測量溫度壓力下比容 V=(h-ho)/(m/A)=Ah/K5 .測定低于臨界溫度下的等溫線(t=20c 或 25C)(1)將恒溫水套溫度調(diào)至 t=20c 或 25C,并保持恒定。(2)壓力從 4.0MPa 左右(毛細管下部出現(xiàn)水銀面)開始，讀取相應(yīng)水銀柱上端液面刻度，記錄第一個數(shù)據(jù)點。(3),提高壓力 0.3MPa,達到平

6、衡時，讀取相應(yīng)水銀柱上端液面刻度，記錄第二個數(shù)據(jù)點。注意加壓時，應(yīng)足夠緩慢的搖進活塞桿，以保證定溫條件，此時，水銀柱高度應(yīng)穩(wěn)定在一定數(shù)值，不發(fā)生波動。(4)按壓力間隔 0.3MPa 左右，逐次提高壓力，測量第三、第四數(shù)據(jù)點，直到出現(xiàn)第一小滴 CO2液體為止。圖1 1COCO2PVTPVT關(guān)系實驗裝置(5)注意此階段，壓力改變后 CO2狀態(tài)的變化，特別是測準出現(xiàn)第一小滴 CO2液體時的壓力和最后一個 CO2小汽泡剛消失時的壓力以及相應(yīng)水銀柱上端液面刻度。此階段壓力改變應(yīng)很小，要交替進行升壓和降壓操作，壓力應(yīng)按出現(xiàn)第一小滴 CO2液體和最后一個 CO2小汽泡剛消失的具體條件進行調(diào)整。(6)當 CO

7、2全部液化后，繼續(xù)按壓力間隔 0.3MPa 左右升壓，直到壓力達到 8.0MPa 為止。IZJ圖2 2試驗臺本體1-高壓容器，2-玻璃杯，3-壓力油，4-水銀，5-密封填料 6-填料壓蓋，7-恒溫水套，8-承壓玻璃管,9-CO2,10-溫度計6 .測定臨界等溫線和臨界參數(shù)，觀察臨界現(xiàn)象(1)將恒溫水套溫度調(diào)至 t=31.1C,按上述 5 的方法和步驟測出臨界等溫線，注意在曲線的拐點(P=7.376MPa)附近，應(yīng)緩慢調(diào)整壓力(調(diào)壓間隔可為 0.05MPa),以較準確的確定臨界壓力和臨界比容。恒溫水（2）觀察臨界現(xiàn)象a.臨界乳光現(xiàn)象保持臨界溫度不變， 搖進活塞桿使壓力升至 Pc附近處， 然后突然

8、搖退活塞桿 （注意勿使試驗臺本體晃動）降壓，在此瞬間玻璃管內(nèi)將出現(xiàn)圓錐型的乳白色的閃光現(xiàn)象，這就是臨界乳光現(xiàn)象。這是由于 CO2分子受重力場作用沿高度分布不均和光的散射所造成的。可以反復幾次觀察這個現(xiàn)象。b.整體相變現(xiàn)象臨界點附近時，汽化熱接近于零，飽和蒸汽線與飽和液體線接近合于一點。此時汽液的相互轉(zhuǎn)變不象臨界溫度以下時那樣逐漸積累，需要一定的時間，表現(xiàn)為一個漸變過程；而是當壓力稍有變化時，汽液是以突變的形式相互轉(zhuǎn)化。c.汽液二相模糊不清現(xiàn)象處于臨界點附近的 CO2具有共同白參數(shù)（P,V,T）,不能區(qū)別此時 CO2是汽態(tài)還是液態(tài)。如果說它是氣體，那么，這氣體是接近液態(tài)的氣體；如果說它是液體，那

9、么，這液體又是接近氣態(tài)的液體。下面用實驗證明這結(jié)論。因為此時是處于臨界溫度附近，如果按等溫過程，使 CO2壓縮或膨脹，則管內(nèi)什么也看不到。現(xiàn)在，按絕熱過程進行。先在壓力處于 7.4MPa（臨界壓力）附近，突然降壓，CO2狀態(tài)點不是沿等溫線，而是沿絕熱線降到二相區(qū)，管內(nèi) CO2出現(xiàn)了明顯的液面。這就是說，如果這是管內(nèi) CO2是氣體的話那么，這種氣體離液相區(qū)很近，是接近液態(tài)的氣體；當膨脹之后，突然壓縮 CO2時，這液面又立即消失了。這就告訴我們，這時 CO2液體離汽相區(qū)也很近，是接近氣態(tài)的液體。這時 CO2既接近氣態(tài)，又接近液態(tài)，所以只能是處于臨界點附近。臨界狀態(tài)流體是一種汽液不分的流體。這就是臨

10、界點附近汽液二相模糊不清現(xiàn)象。7 .測定高于臨界溫度的等溫線（t=40C）將恒溫水套溫度調(diào)至 t=40C,按上述 5 相同的方法和步驟進行。五.實驗數(shù)據(jù)記錄表 1 不同溫度下 CO2P-V 數(shù)據(jù)測定結(jié)果室溫 C,大氣壓 MPa,毛細管內(nèi)徑頂端的刻度 homm，質(zhì)面比常數(shù) KNt=25Ct=31.1Ct=40CP 絕/MPaAh/mmV=Ah/K現(xiàn)象P 絕/MPaAh/mmV=Ah/K現(xiàn)象P 絕/MPaAh/mmV=Ah/K現(xiàn)象123456789101112131415等溫實驗時間=min等溫實驗時間=min等溫實驗時間=min表 2CO2的臨界比容 Vc(m3/kg)六.實驗數(shù)據(jù)處理1.按 2

11、5C,7.8MPa 時 CO2液柱高度Aho(=h-M)(m),計算承壓玻璃管(毛細管)內(nèi) CO2的質(zhì)面比常數(shù) K 值。2.按表 1Ah 數(shù)據(jù)計算不同壓力 P 下 CO2的體積 v,計算結(jié)果填入表 1。3.按表 1 三種溫度下 CO2PVT 數(shù)據(jù)在 PV 坐標系中畫出三條 PV 等溫線。4.將實驗得到的等溫線與圖 3 的等溫線比較，分析二者的差異及引起差異的原因。5.估算 25c 下 CO2的飽和蒸汽壓，并與 Antoine 方程計算結(jié)果比較。七.思考題1 .質(zhì)面比常數(shù) K 值對實驗結(jié)果有何影響？為什么？2 .分析本實驗的誤差來源，如何使誤差盡量減少？3.為什么測量 25c 下等溫線時，嚴格講

12、，出現(xiàn)第 1 個小液滴時的壓力和最后一個小汽泡將消失時的壓力相等？八.實驗中注意事項1 .實驗壓力不能超過 8MPa,實驗溫度不高于 40Co2 .應(yīng)緩慢搖進活塞螺桿，否則來不及平衡，難以保證恒溫恒壓條件。3.一般，按壓力間隔 0.30.5MPa 左右升壓。但在將要出現(xiàn)液相，存在汽液二相及汽相將完全消失以及接近臨界點的情況下，升壓間隔要很小，升壓速度要緩慢。嚴格講，溫度一定時，在汽液二相同時存在的情況下，壓力應(yīng)保持不變。4,準確測出 25C,7.8MPa 時 CO2液柱高度 Aho。準確測出 25c 下出現(xiàn)第 1 個小液滴時的壓力和體積(高度)及最后一個小汽泡將消失時的壓力和體積(高度)。5 .由壓力表讀得的數(shù)據(jù)是表壓，數(shù)據(jù)處理時應(yīng)按絕對壓力(=表壓+大氣壓)。九.參考文獻1 .RichardStephenson,HandbookoftheThermodynamicsofOrganicCompounds,19872 .南京化工大學編，化工熱力學實驗講義，1998附 CO2的物性數(shù)據(jù)Tc=304.25K,Pc=7.376MPa