热工实验报告12模具乙 修改稿5

模具设计与制造专业“热工学基础”

实验报告

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准考证号：

2013年11月11日

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。

二、实验任务

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

1.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。

蒸发是指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

凝结是指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

液相气相处于动态平衡的状态

汽化潜热：即温度不变时，单位质量的某种液体物质在汽化过程中所吸收的热量。

汽化分两种，蒸发和沸腾。两者都吸热，蒸发只在液体表面。而沸腾是液体的内部和表面同时进行的。汽化潜热

同种物质液体分子的平均距离比气体中小得多。汽化时分子平均距离加大、体积急剧增大，需克服分子间引力并反抗大气压力作功。因此，汽化要吸热。单位质量的液体转变为相同温度的蒸气时吸收的热量称为汽化潜热，简称汽化热。它随温度升高而减小，因为在较高温度下液体分子具有较大能量，液相与气相差别变小。在临界温度下，物质处于临界态，气相与液相差别消失，汽化热为零。

物质从液态转变为汽态的过程叫汽化。

汽化潜热：在一定温度下，1kg液体转为同温度下汽体所吸收的热量，用r表示。单位焦/千克(J/kg)

2.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。

3.水的定压加热过程

4.水蒸汽定压生成过程中热量的计算

a 点未饱和水a t a t

b 点饱和水s t ,,v s h '''

c 点混饱和水蒸气s t ,,x x x v s h

d 点干饱和蒸汽s t ,,v s h ''''''

e 点过热蒸汽e t e t >s t

在T-S 图中

1. 水的预热加热过程 a-b ，预热'0a q h h =-

2. 汽化阶段汽化潜热r="h h -

3. 过热阶段过热"sup e q h h =-

水的定压预热阶段取初始状态1时水的压力为p ，而温度与三相点温度相同，即为

0.01 ℃，因该温度低于压力p 所对应的饱和温度ts ，故处于未饱和水状态。为使容积变化

时保持压力不变，假设容器为具有活塞的气缸，如图1所示。当水受热时，水的温度升高，

比体积略有增加，直到水的温度升高到压力p 所对应的饱和温度ts 时，全部水变成饱和水，

如图1ˊ所示。其状态变化过程，如图中过程所示1—1ˊ。

饱和水的定压汽化过程

1kg 水从1状态被加热到2状态所吸收的热量:

5.不同压力下水蒸汽定压生成过程的p-V图和T-S图

如果将不同压力下蒸汽的形成过程表示在p-v图与T-s 图上，并将不同压力下对应的状态点连接起来，就得到了图5-3中的（a1a2a3 …)a系线，（b1b2b3 …）b系线以及（d1d2d3 …）d系线，它们分别表示各种压力下的0℃的水、饱和水以及干饱和蒸汽状态。a系线近乎一

条垂直线，这是因为低温时的水几乎不可压缩，压力升高，比体积基本不变。b 系线称为饱

和水线或下界线，它表示的是不同压力下饱和水的状态。

d 系线称为干饱和蒸汽线或上界线，它表示的是不同压力下干饱和蒸汽的状态。

由图5-3可以清楚地看到，随着压力的增加，饱和水与干饱和蒸汽状态点间的距离逐渐缩短。

当压力增加到某一临界值时，饱和水与干饱和蒸汽不仅具有相同的压力和比体积，而且还具

有相同的温度和熵，这时的饱和水与干饱和蒸汽之间的差异已完全消失，在图中由同一点C

表示，这个点称为临界点，这样一种特殊的状态称为临界状态。临界状态的各热力参数都加

下角标"cr"，如水的临界参数为：Pcr=22.064 MPa 、tcr=373.99℃、νcr=0.003106/kg 、

hcr=2085.9 kJ/kg 、scr=4.4092 kJ/(kg ﹒k)。水在临界压力pcr 下定压加热到临界温度

tcr 时，不存在汽液分界线和汽液共存的汽化过程，再加热就直接成为过热蒸汽。

图5-3 水蒸气的p-v 图及T-s 图 分析水蒸气的相变图线可见，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)和五态(未饱和水

状态、饱和水状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态、过热蒸汽状态)。

所谓干度，是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

干度x —湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，

X=a m m

a m -湿蒸汽中所含干蒸汽的质量。

M ---湿蒸汽的质量,。

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