1、實驗一 二氧化碳臨界狀態(tài)觀測及p-v-T關系測定實驗指導書一、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增加對課堂所講的工質(zhì)熱力狀態(tài)、凝結、汽化、飽和狀態(tài)等基本概念的理解。3掌握CO2的p-v-T關系的測定方法，學會用實驗測定實際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法和技巧。4學會活塞式壓力計，恒溫器等熱工儀器的正確使用方法。二實驗原理在準平衡狀態(tài)下，氣體的絕對壓力p、比容v和絕對溫度T之間存在某種確定關系，即狀態(tài)方程: 理想氣體的狀態(tài)方程具有最簡單的形式：實際氣體的狀態(tài)方程比較復雜，目前尚不能將各種氣體的狀態(tài)方程用一個統(tǒng)一的形式表示出來，雖然已經(jīng)有了許多在某種條件下能較好反映p

2、、v、T之間關系的實際氣體的狀態(tài)方程。因此，具體測定某種氣體的p、v、T關系，并將實測結果表示在坐標圖上形成狀態(tài)圖，乃是一種重要而有效的研究氣體工質(zhì)熱力性質(zhì)的方法。在平面的狀態(tài)圖上只能表達兩個參數(shù)之間的函數(shù)關系，故具體測定時有必要保持某一個狀態(tài)參數(shù)為定值，本實驗就是在保持絕對溫度T不變的條件下進行的。三、實驗內(nèi)容1測定CO2的p-v-t關系。在p-v坐標系中繪出低于臨界溫度（t=20）、臨界溫度（t=31.1）和高于臨界溫度（t=35）的三條等溫曲線，并與標準實驗曲線及理論計算值相比較，并分析其差異原因。2觀測臨界狀態(tài)（1）臨界狀態(tài)附近氣液兩相模糊的現(xiàn)象。（2）氣液整體相變現(xiàn)象。（3）測定CO

3、2的pc、vc、tc等臨界參數(shù)，并將實驗所得的vc值與理想氣體狀態(tài)方程和范德瓦爾方程的理論值相比教，簡述其差異原因。四、實驗設備整個實驗裝置由壓力臺、恒溫器和實驗臺本體及其防護罩等三大部分組成（如圖一所示）。試驗臺本體如圖二所示。其中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承壓汞容器；9CO2空間；10溫度計。、對簡單可壓縮熱力系統(tǒng)，當工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時，其狀態(tài)參數(shù)p、v、T之間有： 或 （1）本實驗就是根據(jù)式（1），采用定溫方法來測定CO2的p-v-T關系，從而找出CO2的p-v-T關系。實驗中，由壓力臺送來的壓力由壓力油進入高壓容器和玻璃杯上半部，迫使

4、水銀進入預先裝了CO2氣體的承壓玻璃管，CO2被壓縮，其壓力和容器通過壓力臺上的活塞桿的進、退來調(diào)節(jié)。溫度由恒溫器供給的水套里的水溫來調(diào)節(jié)。實驗工質(zhì)二氧化碳的壓力，由裝在壓力臺上的壓力表讀出（如要提高精度，可由加在活塞轉(zhuǎn)盤上的平衡砝碼讀出，并考慮水銀柱高度的修正）。溫度由插在恒溫水套中的溫度計讀出。比容首先由承壓玻璃管內(nèi)二氧化碳柱的高度來測量，而后再根據(jù)承壓玻璃管內(nèi)徑均勻、截面不變等條件來換算得出。 圖一 試驗臺系統(tǒng)圖 圖二 試驗臺本體五、實驗步驟1按圖一裝好實驗設備，并開啟實驗本體上的日光燈。2恒溫器準備及溫度調(diào)節(jié)：（1）把水注入恒溫器內(nèi)，注至離蓋3050mm。檢查并接通電路，開動電動泵，使

5、水循環(huán)對流。（2）在溫度控制器AL808E的控制面板上通過上下鍵設定好實驗用的溫度。（3）此時控制面板上視水溫情況，開、關加熱器，當水溫未達到要調(diào)定的溫度時，恒溫器指示燈是亮的，當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，若其讀數(shù)與恒溫器上的溫度計及電接點溫度計標定的溫度一致時（或基本一致），則可（近似）認為承壓玻璃管內(nèi)的CO2的溫度處于所標定的溫度。（5）當所需要改變實驗溫度時，重復（2）（4）即可。3加壓前的準備：因為壓力臺的油缸容量比容器容量小，需要多次從油杯里抽油，再向主容器充油，才能在壓力表顯示壓力讀數(shù)。壓力臺抽油、充油的操作過程非常重要，若操作失

6、誤，不但加不上壓力，還會損壞試驗設備。所以，務必認真掌握，其步驟如下：（1）關壓力表及其進入本體油路的兩個閥門，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。這時，壓力臺油缸中抽滿了油。（3）先關閉油杯閥門，然后開啟壓力表和進入本體油路的兩個閥門。（4）搖進活塞螺桿，使本體充油。如此交復，直至壓力表上有壓力讀數(shù)為止。特別應注意以下情況，如螺桿已推進到極限位置，而壓力尚未達到所需值，必須再一次抽油加壓，此時要嚴格按以下程序操作，先關油路控制閥；再開油杯進油閥，使壓力表壓力降至0；關壓力表控閥，倒退螺桿抽油至極限位置；然后關油杯進油閥，開壓力表控制閥，推進螺桿逐漸加壓直

7、到剛才所建立的油壓時才能開油路控制閥（在此以前油路控制閥決不能開！），進一步加壓。（5）再次檢查油杯閥門是否關好，壓力表及本體油路閥門是否開啟。若均已調(diào)定后，即可進行實驗。4作好實驗的原始記錄：（1）設備數(shù)據(jù)記錄：儀器、儀表名稱、型號、規(guī)格、量程、精度。（2）常規(guī)數(shù)據(jù)記錄：室溫、大氣壓、實驗環(huán)境情況等。（3）測定承壓玻璃管內(nèi)CO2質(zhì)量不便測量，而玻璃管內(nèi)徑或截面積（A）又不易測準，因而實驗中采用間接辦法來確定CO2的比容，認為CO2的比容V與其高度是一種線性關系。具體方法如下：a）已知CO2液體在20，9.8MPa時的比容V（20，9.8Mpa）=0.00117M3。b）實際測定實驗臺在20，

8、9.8Mpa時的CO2液柱高度h0（m）。（注意玻璃管水套上刻度的標記方法）c）V（20，9.8Mpa）= 其中：K即為玻璃管內(nèi)CO2的質(zhì)面比常數(shù)。所以，任意溫度、壓力下CO2的比容為： （m3/kg）式中，h=h-h0h任意溫度、壓力下水銀柱高度。h0承壓玻璃管內(nèi)徑頂端刻度。5測定低于臨界溫度t=20時的定溫線。（1）將恒溫器調(diào)定在t=20，并保持恒溫。（2）壓力從4.41Mpa開始，當玻璃管內(nèi)水銀柱升起來后，應足夠緩慢地搖進活塞螺桿，以保證定溫條件。否則，將來不及平衡，使讀數(shù)不準。（3）按照適當?shù)膲毫﹂g隔取h值，直至壓力p=9.8MPa。（4）注意加壓后CO2的變化，特別是注意飽和壓力和飽

9、和溫度之間的對應關系以及液化、汽化等現(xiàn)象。要將測得的實驗數(shù)據(jù)及觀察到的現(xiàn)象一并填入表1。6.測定臨界參數(shù)，并觀察臨界現(xiàn)象。（1）按上述方法和步驟測出臨界等溫線，并在該曲線的拐點處找出臨界壓力pc和臨界比容vc，并將數(shù)據(jù)填入表1。（2）觀察臨界現(xiàn)象。臨界溫度指氣體能通過加壓壓縮成液態(tài)的最高溫度，當溫度高于臨界溫度時，無論加多大的壓力也不能使氣體液化。理論上CO2的臨界溫度是31.1，故實驗時溫度在此附近時，通過不斷地加壓能看到某一壓力（理論上是7.52MPa，實驗誤差等影響可能是在其附近）看到水銀柱上面出現(xiàn)少許白霧（液化）隨后加壓白霧消失，無論再怎么加壓也不會出現(xiàn)液化現(xiàn)象。當實驗溫度低于31.1

10、時，一直加壓會出現(xiàn)少許液體，這是氣液共存現(xiàn)象。當溫度高于31.1時，無論怎么加壓也不會出現(xiàn)液化現(xiàn)象，當然如果此時忽然卸壓會出現(xiàn)少許液化，這是因為突然降壓，絕熱降溫造成的。7測定高于臨界溫度t=35時的定溫線。將數(shù)據(jù)填入原始記錄表1。六、注意事項1除t=20時，須加壓到絕對壓力10MPa（表壓9.9MPa）外，其余各等溫線均在59MP間測出h值，表壓不得超過10MPa，溫度不應超過60。2一般壓力間隔可取0.20.5MPa，接近飽和狀態(tài)和臨界狀態(tài)時壓力間隔適當取小些。3加壓過程應足夠緩慢以實現(xiàn)準平衡過程，卸壓時應逐漸旋轉(zhuǎn)壓力泵手柄，決不可直接打開油杯閥卸壓！4實驗完畢將儀器設備擦凈。將原始記錄交

11、指導教師簽字后方可離開實驗室。5遇到疑難或異常情況應及時詢問指導教師，不得擅自違章處理。七、實驗結果處理和分析1按表1的數(shù)據(jù)，如圖三在p-v坐標系中畫出三條等溫線。2將實驗測得的等溫線與圖三所示的標準等溫線比較，并分析它們之間的差異及原因。 CO2等溫實驗原始記錄 表1t=20t=31.1（臨界）t=35p(Mpa)hv=h/K現(xiàn)象p(Mpa)hv=h/K現(xiàn)象p(Mpa)hv=h/K現(xiàn)象4將實驗測定的臨界比容vc與理論計算值一并填入表2，并分析它們之間的差異及其產(chǎn)生誤差的原因。臨界比容vcm3/Kg 表2標準值實驗值0.00216 圖三 標準曲線實驗二 中溫輻射時的物體黑度的測試指導書一、實驗

12、目的用比較法，定性地測量中溫輻射時物體黑度。二、原理概述由n個物體組成的輻射換熱系統(tǒng)中，利用凈輻射法可求物體i的純換熱量Qnet,i (1)式中：Qnet,ii面的凈輻射換熱量；Qabs,ii面從其他表面的吸熱量；Qe,ii面本身的輻射熱量；ii面的黑度；Xj,ij面對i面的角系數(shù)；Jjj面有效的輻射力；Ebii面的黑體輻射力； i面的吸收率；Aii面的面積。根據(jù)本實驗的設備情況，可以認為：1、熱源1、傳導圓筒2為黑體。2、熱源、傳導圓筒2、待測物體（受體）3表面上的溫度均勻（圖1）。圖1 輻射換熱簡圖1熱源 2傳導圓筒 3待測物體因此，公式（1）可寫成：Qnet,3=3(Eb1 A1X1,3

13、+ Eb2 A2X2,3)3Eb3 A3因為A1= A3；3=3；X3,2=X1,2 又根據(jù)角系數(shù)的互換性A2X2,3=A3X3,2 ，則待測物體單位面積上的凈輻射換熱量為：q3=Qnet,3/A3=3(Eb,1X1,3+ Eb,2X1,2)3Eb,3= 3(Eb,1X1,3+ Eb,2X1,2Eb,3) （2）由于受體3與環(huán)境主要以自然對流方式換熱，則：q3=(t3tf) （3）式中：待測物體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；t3待測物體（受體）溫度；tf環(huán)境溫度由（2）、（3）式得： （4）當熱源1和傳導圓筒2的表面溫度一致時，Eb1=Eb2 ，而且熱源1、傳導圓筒2和待測物體3組成封閉系統(tǒng)，則：X1,3+X

14、1,2=1由此，（4）式可寫成： （5）式中b稱為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.6710-8w/m2k4。對不同待測物體（受體）a、b的黑度為：；設，則： （6）當b為黑體時，b1，（6）式可寫成： （7）三、實驗裝置實驗裝置簡圖如圖2所示：圖2 實驗裝置簡圖3、數(shù)顯溫度計 4、接線柱 5、導軌 6、熱源 7、傳導體 8、受體 9、導軌支架 10、熱源及中間體電壓表 11、接線柱 12、調(diào)壓旋鈕13、測溫接線柱（紅為+）14、電源開關熱源腔體具有一個測溫電偶，傳導腔體有二個熱電偶，受體有一個熱電偶，它們都可過琴鍵轉(zhuǎn)換開關來切換。四、實驗方法和步驟本實驗儀器用比較法定性地測定物體的黑度，具體方法

15、是通過對三組加熱器電壓的調(diào)整（熱源一組，傳導體二組），使熱源和傳導體的測量點恒定在同一溫度上，然后分別將“待測”（受體為待測物體，具有原來的表面狀態(tài)）和“黑體”（受體仍為待測物體，但表面薰黑）兩種狀態(tài)的受體在恒溫條件下，測出受到輻射后的溫度，就可按公式計算出待測物體的黑度。具體步驟如下：1、熱源腔體和受體腔體（使用具有原來表面狀態(tài)的物體作為受體）靠緊傳導體。2、接通電源，調(diào)整熱源、傳導左、傳導右的調(diào)溫旋鈕，使熱源溫度在50至150范圍內(nèi)某一溫度，受熱約40分鐘左右，通過測溫儀表測試熱源、傳導體的溫度，并根據(jù)測得的溫度微調(diào)相應的電壓旋鈕，使三點溫度盡量一致。3、系統(tǒng)進入恒溫后（各測溫點基本接近，且在五分鐘內(nèi)各點溫度波動小于3），開始測試受體溫度，當受體溫度五分鐘內(nèi)的變化小于3時，記下一組數(shù)據(jù)。“待測”受體實驗結束。4、取下受體，換為黑體，然后重復以上實驗，測得第二組數(shù)據(jù)。將兩組數(shù)據(jù)代入公式即可得出待測物體的黑度受。五、注意