二氧化碳PVT關係測定實驗原（yuán）理及說明
2026-01-15 08:47二氧化碳PVT關係測定實驗原理及說明
一、實（shí）驗目的（de）
1.了解CO2臨界狀態的觀測方法（fǎ），增加對臨界狀態概念的感性認識。
2.增加對課堂（táng）所講的工質熱力狀態、凝（níng）結、汽化、飽和狀（zhuàng）態等基本概念的理解。
3.掌握CO2的p-v-t關係的測（cè）定（dìng）方法，學會用實驗測定實際氣體狀態變化規律的方法和技（jì）巧。
4.學會活塞式壓力計，恒溫器等熱工儀器的正確（què）使用方法。
二、實驗內容
1.測定（dìng）CO2的（de）p-v-t關係。在p-v坐標係中繪出（chū）低（dī）於（yú）臨界溫度（t=20℃）、臨界溫度（t=31.1℃）和高於臨界溫度（t=50℃）的三條等溫曲線，並與（yǔ）標準實驗曲線及理論計算值相比較，並分析其差異原（yuán）因。
2.測定CO2在低於臨界溫度（t=20℃、27℃）飽和溫度（dù）和飽和壓力之間的對（duì）應關係，並與（yǔ）圖四（sì）中的ts-ps曲（qǔ）線比較。
3.觀測臨界狀（zhuàng）態
1）臨界狀態附近（jìn）氣液兩相（xiàng）模（mó）糊的現象。
2）氣（qì）液整體相變現象。
3）測定CO2的（de）pc、vc、tc等臨界參數，並將實驗所得的vc值與理（lǐ）想氣體狀態方程和範德瓦爾方程的（de）理論值相比教，簡述（shù）其差異原因。
三、二（èr）氧化（huà）碳PVT關係測定實驗設備及原理
整個實驗裝置由（yóu）壓力台、恒（héng）溫器和實驗台本體及其防護罩等（děng）三大部分組成（如圖一所示）。
圖一 試驗台係統圖
圖二 試驗台本體（tǐ）
試驗台本（běn）體如圖二所示。其（qí）中1—高壓容器；2—玻璃杯；3—壓力機；4—水銀；5—密封填料；6—填料壓蓋；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，當工質處於平衡狀態時，其狀態參數p、v、t之間（jiān）有：
F(p,v,t)=0
或t=f(p,v) （1）
本實驗就是根（gēn）據式（1），采（cǎi）用定（dìng）溫方法來測定CO2的p-v-t關係，從而找出CO2的p-v-t關（guān）係。
實驗中，由壓力台送來的（de）壓力由壓力油進入高壓容器和玻璃杯上半部，迫使水（shuǐ）銀進（jìn）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水溫來調節。
實驗工質二氧化碳的壓力，由裝在（zài）壓力台上的壓力表讀出（如要提高精度，可由加在活塞轉盤上的平衡砝碼讀出，並考慮水銀柱高度的修（xiū）正）。溫度由插在恒溫水套中的溫度計（jì）讀出（chū）。比容首先由承（chéng）壓玻璃管內二氧（yǎng）化碳柱的高度來測量，而後再根據承壓玻璃管內徑（jìng）均勻、截麵不變等條件（jiàn）來換算得出。
四、實驗步驟
1.按圖一裝好實（shí）驗設備，並開啟實驗本體上的（de）日光燈。
2.恒溫器準備及（jí）溫度調節：
1）入恒溫器內，注至離蓋30～50mm。檢查並接通電路，開動電動泵（bèng），使水循環對流。
2）使用電接點溫（wēn）度計（jì）時，旋轉電接點溫度計頂端的帽形（xíng）磁（cí）鐵，調動凸輪示標，使凸輪上（shàng）端麵（miàn）與鎖要調定的溫度一致，再將帽形磁鐵（tiě）用橫向螺釘鎖緊，以防轉（zhuǎn）動。使用電子控溫裝置（zhì）時（shí），按麵板溫度調節（jiē）裝置調整溫度點。
3）視水溫（wēn）情況，開、關加熱器，當水溫未達到要調（diào）定的溫度時，恒溫器指（zhǐ）示燈是亮的，當（dāng）指示燈時亮時滅閃動時，說明溫度已達到所需要恒溫。
4）觀察玻璃水套上的溫度計，若（ruò）其讀數與恒溫器（qì）上的溫度（dù）計及電接點溫度計標（biāo）定的溫度一致時（或基本一致），則可（近似）認為承（chéng）壓玻璃（lí）管內的CO2的溫度處於所標定的溫度。
5）當所需要改變實驗溫度時（shí），重複（2）～（4）即可（kě）。
3.加壓前的準（zhǔn）備：
因為壓力台的油缸（gāng）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（yóu）、充油的操作過程（chéng）非常重要，若操作失（shī）誤，不但加不上壓力，還會損壞試驗設備（bèi）。所以，務必認真掌握，其步驟如下：
1）關閉（bì）壓力表及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（luó）杆全部退出。這時，壓力台油缸中抽滿了油。
3）先關閉油（yóu）杯閥門，然後開（kāi）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（chōng）油。如此交複，直至壓（yā）力表上有壓力讀數為（wéi）止。
5）再次檢查油杯閥門（mén）是否關好，壓力表及本體油路閥門是否開啟。若（ruò）均已調定後，即可進行實驗。
4.作好實驗的原始（shǐ）記錄：
1）設備數（shù）據記（jì）錄：儀器、儀（yí）表（biǎo）名（míng）稱（chēng）、型號、規格、量程、精（jīng）度。
2）常規數據記（jì）錄：室（shì）溫、大氣壓、實驗環境情（qíng）況等。
3）測定承壓玻璃（lí）管內CO2質量不便測量，而玻璃管內徑（jìng）或截麵積（A）又不易測準，因（yīn）而（ér）實驗中采用間接辦法來（lái）確定CO2的比容，認為CO2的比容V與其（qí）高度是一種線性關係。具體方法如下：
a.已知（zhī）CO2液體在20℃，9.8MPa時的比容V（20℃，9.8Mpa）=0.00117m3/kg。
B.實際測定實驗台在20℃，9.8Mpa時（shí）的CO2液柱高度Δh0（m）。（注意玻璃（lí）管水套上刻度的標（biāo）記方（fāng）法）
c.∵V（20℃，9.8Mpa）=
∴
其中：K——即為玻璃管內CO2的質麵比常（cháng）數。
所以（yǐ），任意溫度、壓力下（xià）CO2的比容為：
（m3/kg）
式中，Δh=h-h0
h——任意溫度、壓力下水（shuǐ）銀柱高度。
h0——承壓玻璃管內徑頂端（duān）刻度。
5.測（cè）定低於臨界溫度（dù）t=20℃時的定溫線。
1）將（jiāng）恒溫器調定在t=20℃，並保持恒溫。
2）壓力從4.41Mpa開始（shǐ），當玻璃管內水銀柱（zhù）升起來後，應足夠緩慢地搖進活塞螺杆，以保證定溫條件（jiàn）。否則，將來不及平衡，使讀數不準。
3）按照適當的壓力間隔取h值，直至壓力p=9.8MPa。
4）注意加壓後CO2的變化，特別是注（zhù）意飽和壓力（lì）和飽和溫度之間的對（duì）應關係以及液化、汽化等現（xiàn）象。要將測（cè）得的實（shí）驗數據及觀察到的現象一並填入表1。
5）測定t=25℃、27℃時其飽和溫度（dù）和飽和（hé）壓力的對應關係。
6.測定臨界參數（shù），並觀察臨界現象。
1）按上（shàng）述方法（fǎ）和步驟測出臨界等溫（wēn）線，並（bìng）在該曲線的拐（guǎi）點處找出臨界壓力pc和臨界比容vc，並將數據填入表1。
2）觀（guān）察臨（lín）界現象。
a.整體相變現象
由於在（zài）臨界點時，汽化潛熱等於零（líng），飽和汽線和飽（bǎo）和液線合於（yú）一點，所以這時汽（qì）液的相互轉變不是象（xiàng）臨界溫度以下時那（nà）樣逐漸積累，需要一定的時（shí）間（jiān），表現為漸變過程，而這時當壓力稍在變化（huà）時（shí），汽、液是以突變的形式相互轉化。
b.汽、液兩（liǎng）相模糊不清的現象
處於臨界點的CO2具有共（gòng）同參數（p,v,t），因而不能區別此時CO2是氣（qì）態還是液態。如果說它是氣體，那麽，這個氣體是接近液態的氣體；如果（guǒ）說它是液體，那麽，這個液體又是接近氣態的（de）液體。下麵就來用實驗（yàn）證明（míng）這個結論。因為這時處於臨界溫度下，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（àn）絕熱過程來進行。首先在壓力等於7.64Mpa附近，突然降壓CO2狀態點由等溫線沿絕熱線降到液區，管內CO2出現明顯的液麵。這就是說，如果這時管內（nèi）的CO2是氣體的話，那（nà）麽，這種氣體離液區很接近，可以說是接近液態的氣體；當我們在膨脹之後，突然壓縮CO2時，這個液麵又立（lì）即消失了。這就告訴我們，這時CO2液體離氣區也是非（fēi）常接近（jìn）的，可以說是接近氣態的液體。既然，此時的CO2既接近氣態，又接（jiē）近液態，所以能處（chù）於臨界點附（fù）近。可以這樣說：臨界狀態究竟如何，就是飽和汽、液分不清。這就是臨界點附（fù）近，飽和汽、液模糊不（bú）清的現象。
7.測定高（gāo）於臨界溫度（dù）t=50℃時的定溫線。將數據填入原（yuán）始記錄表1。
五、實驗結果處理和（hé）分析
1.按（àn）表（biǎo）1的數據，如圖三在p-v坐標係（xì）中畫出三條等溫線。
2.將實驗測得的（de）等溫線與圖三所（suǒ）示的標準等溫線比較，並分析它們之間的差異及原因。
3.將實驗測（cè）得的飽和溫度與壓力的對應值與圖四給出的ts-ps曲線相比較。
CO2等溫實（shí）驗原始記錄 表1
圖三 標準曲（qǔ）線
4.將實驗測定的臨（lín）界（jiè）比容Vc與理論計算值一並填入表2，並分析它們（men）之間的差異及其（qí）原因。
臨界比容（róng）Vc[m3/Kg] 表2
一、實（shí）驗目的（de）
1.了解CO2臨界狀態的觀測方法（fǎ），增加對臨界狀態概念的感性認識。
2.增加對課堂（táng）所講的工質熱力狀態、凝（níng）結、汽化、飽和狀（zhuàng）態等基本概念的理解。
3.掌握CO2的p-v-t關係的測（cè）定（dìng）方法，學會用實驗測定實際氣體狀態變化規律的方法和技（jì）巧。
4.學會活塞式壓力計，恒溫器等熱工儀器的正確（què）使用方法。
二、實驗內容
1.測定（dìng）CO2的（de）p-v-t關係。在p-v坐標係中繪出（chū）低（dī）於（yú）臨界溫度（t=20℃）、臨界溫度（t=31.1℃）和高於臨界溫度（t=50℃）的三條等溫曲線，並與（yǔ）標準實驗曲線及理論計算值相比較，並分析其差異原（yuán）因。
2.測定CO2在低於臨界溫度（t=20℃、27℃）飽和溫度（dù）和飽和壓力之間的對（duì）應關係，並與（yǔ）圖四（sì）中的ts-ps曲（qǔ）線比較。
3.觀測臨界狀（zhuàng）態
1）臨界狀態附近（jìn）氣液兩相（xiàng）模（mó）糊的現象。
2）氣（qì）液整體相變現象。
3）測定CO2的（de）pc、vc、tc等臨界參數，並將實驗所得的vc值與理（lǐ）想氣體狀態方程和範德瓦爾方程的（de）理論值相比教，簡述（shù）其差異原因。
三、二（èr）氧化（huà）碳PVT關係測定實驗設備及原理
整個實驗裝置由（yóu）壓力台、恒（héng）溫器和實驗台本體及其防護罩等（děng）三大部分組成（如圖一所示）。
圖一 試驗台係統圖
圖二 試驗台本體（tǐ）
試驗台本（běn）體如圖二所示。其（qí）中1—高壓容器；2—玻璃杯；3—壓力機；4—水銀；5—密封填料；6—填料壓蓋；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，當工質處於平衡狀態時，其狀態參數p、v、t之間（jiān）有：
F(p,v,t)=0
或t=f(p,v) （1）
本實驗就是根（gēn）據式（1），采（cǎi）用定（dìng）溫方法來測定CO2的p-v-t關係，從而找出CO2的p-v-t關（guān）係。
實驗中，由壓力台送來的（de）壓力由壓力油進入高壓容器和玻璃杯上半部，迫使水（shuǐ）銀進（jìn）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水溫來調節。
實驗工質二氧化碳的壓力，由裝在（zài）壓力台上的壓力表讀出（如要提高精度，可由加在活塞轉盤上的平衡砝碼讀出，並考慮水銀柱高度的修（xiū）正）。溫度由插在恒溫水套中的溫度計（jì）讀出（chū）。比容首先由承（chéng）壓玻璃管內二氧（yǎng）化碳柱的高度來測量，而後再根據承壓玻璃管內徑（jìng）均勻、截麵不變等條件（jiàn）來換算得出。
四、實驗步驟
1.按圖一裝好實（shí）驗設備，並開啟實驗本體上的（de）日光燈。
2.恒溫器準備及（jí）溫度調節：
1）入恒溫器內，注至離蓋30～50mm。檢查並接通電路，開動電動泵（bèng），使水循環對流。
2）使用電接點溫（wēn）度計（jì）時，旋轉電接點溫度計頂端的帽形（xíng）磁（cí）鐵，調動凸輪示標，使凸輪上（shàng）端麵（miàn）與鎖要調定的溫度一致，再將帽形磁鐵（tiě）用橫向螺釘鎖緊，以防轉（zhuǎn）動。使用電子控溫裝置（zhì）時（shí），按麵板溫度調節（jiē）裝置調整溫度點。
3）視水溫（wēn）情況，開、關加熱器，當水溫未達到要調（diào）定的溫度時，恒溫器指（zhǐ）示燈是亮的，當（dāng）指示燈時亮時滅閃動時，說明溫度已達到所需要恒溫。
4）觀察玻璃水套上的溫度計，若（ruò）其讀數與恒溫器（qì）上的溫度（dù）計及電接點溫度計標（biāo）定的溫度一致時（或基本一致），則可（近似）認為承（chéng）壓玻璃（lí）管內的CO2的溫度處於所標定的溫度。
5）當所需要改變實驗溫度時（shí），重複（2）～（4）即可（kě）。
3.加壓前的準（zhǔn）備：
因為壓力台的油缸（gāng）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（yóu）、充油的操作過程（chéng）非常重要，若操作失（shī）誤，不但加不上壓力，還會損壞試驗設備（bèi）。所以，務必認真掌握，其步驟如下：
1）關閉（bì）壓力表及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（luó）杆全部退出。這時，壓力台油缸中抽滿了油。
3）先關閉油（yóu）杯閥門，然後開（kāi）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（chōng）油。如此交複，直至壓（yā）力表上有壓力讀數為（wéi）止。
5）再次檢查油杯閥門（mén）是否關好，壓力表及本體油路閥門是否開啟。若（ruò）均已調定後，即可進行實驗。
4.作好實驗的原始（shǐ）記錄：
1）設備數（shù）據記（jì）錄：儀器、儀（yí）表（biǎo）名（míng）稱（chēng）、型號、規格、量程、精（jīng）度。
2）常規數據記（jì）錄：室（shì）溫、大氣壓、實驗環境情（qíng）況等。
3）測定承壓玻璃（lí）管內CO2質量不便測量，而玻璃管內徑（jìng）或截麵積（A）又不易測準，因（yīn）而（ér）實驗中采用間接辦法來（lái）確定CO2的比容，認為CO2的比容V與其（qí）高度是一種線性關係。具體方法如下：
a.已知（zhī）CO2液體在20℃，9.8MPa時的比容V（20℃，9.8Mpa）=0.00117m3/kg。
B.實際測定實驗台在20℃，9.8Mpa時（shí）的CO2液柱高度Δh0（m）。（注意玻璃（lí）管水套上刻度的標（biāo）記方（fāng）法）
c.∵V（20℃，9.8Mpa）=
∴
其中：K——即為玻璃管內CO2的質麵比常（cháng）數。
所以（yǐ），任意溫度、壓力下（xià）CO2的比容為：
（m3/kg）式中，Δh=h-h0
h——任意溫度、壓力下水（shuǐ）銀柱高度。
h0——承壓玻璃管內徑頂端（duān）刻度。
5.測（cè）定低於臨界溫度（dù）t=20℃時的定溫線。
1）將（jiāng）恒溫器調定在t=20℃，並保持恒溫。
2）壓力從4.41Mpa開始（shǐ），當玻璃管內水銀柱（zhù）升起來後，應足夠緩慢地搖進活塞螺杆，以保證定溫條件（jiàn）。否則，將來不及平衡，使讀數不準。
3）按照適當的壓力間隔取h值，直至壓力p=9.8MPa。
4）注意加壓後CO2的變化，特別是注（zhù）意飽和壓力（lì）和飽和溫度之間的對（duì）應關係以及液化、汽化等現（xiàn）象。要將測（cè）得的實（shí）驗數據及觀察到的現象一並填入表1。
5）測定t=25℃、27℃時其飽和溫度（dù）和飽和（hé）壓力的對應關係。
6.測定臨界參數（shù），並觀察臨界現象。
1）按上（shàng）述方法（fǎ）和步驟測出臨界等溫（wēn）線，並（bìng）在該曲線的拐（guǎi）點處找出臨界壓力pc和臨界比容vc，並將數據填入表1。
2）觀（guān）察臨（lín）界現象。
a.整體相變現象
由於在（zài）臨界點時，汽化潛熱等於零（líng），飽和汽線和飽（bǎo）和液線合於（yú）一點，所以這時汽（qì）液的相互轉變不是象（xiàng）臨界溫度以下時那（nà）樣逐漸積累，需要一定的時（shí）間（jiān），表現為漸變過程，而這時當壓力稍在變化（huà）時（shí），汽、液是以突變的形式相互轉化。
b.汽、液兩（liǎng）相模糊不清的現象
處於臨界點的CO2具有共（gòng）同參數（p,v,t），因而不能區別此時CO2是氣（qì）態還是液態。如果說它是氣體，那麽，這個氣體是接近液態的氣體；如果（guǒ）說它是液體，那麽，這個液體又是接近氣態的（de）液體。下麵就來用實驗（yàn）證明（míng）這個結論。因為這時處於臨界溫度下，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（àn）絕熱過程來進行。首先在壓力等於7.64Mpa附近，突然降壓CO2狀態點由等溫線沿絕熱線降到液區，管內CO2出現明顯的液麵。這就是說，如果這時管內（nèi）的CO2是氣體的話，那（nà）麽，這種氣體離液區很接近，可以說是接近液態的氣體；當我們在膨脹之後，突然壓縮CO2時，這個液麵又立（lì）即消失了。這就告訴我們，這時CO2液體離氣區也是非（fēi）常接近（jìn）的，可以說是接近氣態的液體。既然，此時的CO2既接近氣態，又接（jiē）近液態，所以能處（chù）於臨界點附（fù）近。可以這樣說：臨界狀態究竟如何，就是飽和汽、液分不清。這就是臨界點附（fù）近，飽和汽、液模糊不（bú）清的現象。
7.測定高（gāo）於臨界溫度（dù）t=50℃時的定溫線。將數據填入原（yuán）始記錄表1。
五、實驗結果處理和（hé）分析
1.按（àn）表（biǎo）1的數據，如圖三在p-v坐標係（xì）中畫出三條等溫線。
2.將實驗測得的（de）等溫線與圖三所（suǒ）示的標準等溫線比較，並分析它們之間的差異及原因。
3.將實驗測（cè）得的飽和溫度與壓力的對應值與圖四給出的ts-ps曲線相比較。
CO2等溫實（shí）驗原始記錄 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 |
| 進行等溫線實驗所需時間 | |||||||||||
| 分鍾 | 分鍾 | 分鍾 | |||||||||
圖三 標準曲（qǔ）線
4.將實驗測定的臨（lín）界（jiè）比容Vc與理論計算值一並填入表2，並分析它們（men）之間的差異及其（qí）原因。
臨界比容（róng）Vc[m3/Kg] 表2
| 標準值 | 實驗值 | Vc=RTc/Pc | Vc=3/8 | RT/Pc |
| 0.00216 |
