实验一 二氧化碳的PTV关系测定

一、实验目的

1、加深对二氧化碳的各种热力学状态：凝结、汽化、饱和状态、临界状态等概念的感性认识。

2、掌握测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。 3、掌握活塞式压力计、恒温水浴的正确使用方法。 二、实验内容

1、正确使用活塞式压力计和恒温水浴。

2、测定t=20℃及t=50℃时CO2的等温线。

三、实验仪器设备和材料清单

实验装置由压力台，恒温水浴和实验台本体三部分组成。本体结构见图1。

图1实验台本体结构示意图

1、高压容器； 2、玻璃杯； 3、压力油； 4、水银； 5、密封填料； 6、填料压盖； 7、恒温水套； 8、汞压玻璃管；9、CO2空间；10、温度计 四、实验要求

1、要求学生能独立操作每一个实验步骤，了解和掌握其相关的原理，培养学生熟练的实验操作。

2、要求学生能适当了解一些科研过程，培养其发现问题、分析问题、解决问题的能力； 五、实验部分 1、实验原理

(1)、当体系温度低于临界温度Tc时，随着体系压力的升高，体系的相变过程为：过热气体→饱和蒸汽→汽液共存→饱和液体→过冷液体。在汽液共存时可以观察到相界面，且CO2的性质如比容ｖ有跃升型变化，ｖ液与ｖ汽有明显的差值。 c2当体系温度逐渐升高，向Ｔc靠近时，这种跃升时性质变化的差值减小。当体系温度等于Ｔc时，此差值变为零。此状态点称为临界状态。在临界点观察不到汽液共存现象，也分不清此时体系是气体还是液体。在PV图上，它是饱和液体线和饱和蒸汽线的交汇点。

临界点可由临界乳光现象观察。保持临界温度31℃不变，压力在78 atm附近时突然降压，玻璃管内瞬间出现圆锥状的乳白色闪光，这就是乳光现象。这是由于CO2分子受重力场作用沿高度分布不均和光散射所造成的。

(2)、比容ｖ通常可通过测量灌入玻璃管内CO2的质量数m，管内截面积A和CO2柱高△h（△h = h - h0，h为水银高，h0为承压玻璃管内空间顶端刻度）按下式求出： V??h?AmB13121110987654321T2T1c1Ac3BB球?m3kg?

图1 倾斜式稀释膨胀计示意图 T1、T2-聚四氟乙烯针形阀

c1、c2、c3-毛细管

但由于A和m不在易测准，本实验采用间接办法来确定比容。

对于一台已安装好的设备而言，其A与m已定，其比值不变，设其为质面比k： k?mA?kgm2?

*

*

可由已知T、P状态时的比容ｖ，以及此状态时在实验中测得△ｈ的值计算。如100atm，20℃～30℃范围内的ｖ*值可由下式计算： ｖ* = 0.00117 + (t-20)·1.290·10-5 (ｍ3/kg) 则 k??hV**?kg?m2m2?

由质面比k可求得其他温度、压力条件下的比容为： V??hkkg?

2、实验步骤

1>、装安好实验设备，并开启实验台本体上的日光灯。 2>、使用恒温水浴设定温度

（1）将水注入恒温水浴内，液面离盖3～5cm为止。检查并接通电路，开动电路泵，使水

循环流动。

（2）将恒温水浴温度计拨至“设定”档，旋转按钮直至仪表显示的温度与所要设定的温度一致，拨至“测量”档。

（3）恒温水浴将视水温情况自动开关加热器，当水温未达到要设定的温度时，恒温水浴指示灯是亮的，当指示灯时亮时灭闪动时，说明温度已经达到所需恒定温度。

（4）观察玻璃水套上的温度计，若其读数与恒温水浴的测量温度基本一致，则可近似地认为承压玻璃管内CO2的温度处于所设定的温度。 （5）当需要改变实验温度时，重复（2）～（4）即可。 3>、加压前的准备

因为压力台的油缸容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器充油，才能在压力表上显示压力读数。压力台抽油、充油的操作过程非常重要，若操作失误，不但加不上压力还会损坏实验设备，所以务必认真掌握。其步骤如下：

（1）关闭压力表及进入本体油路的两个阀门，开启压力台上油杯的进油阀。

（2）摇退压力台上的活塞螺杆，直到螺杆全部退出，这时压力台油缸中抽满了油。 （3）先关闭油杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两阀门。

（4）摇进活塞螺杆，向本体充油。重复（1）～（4）步，直至压力表上有压力读数为止。 （5）再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体油路阀门是否开启，若均已稳定即可进行实验。

4>、测定t=20℃时的等温线

（1）将恒温水浴调至t=20℃，并要保持恒温。

（2）压力记录从45atm开始，当玻璃管内水银升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证恒温条件，否则来不及平衡，读数不准。 （3）一般读取h时的压力间隔可取2～5 atm，但在接近饱和状态时，压力间隔应取0.5 atm。实验中读取水银高度时，应使视线与水银柱半圆型液面的中间平齐。

（4）注意加压后CO2的变化，特别是注意饱和压力和饱和温度的对应关系，液化、汽化等现象。注意观察第一个液滴的出现和最后一个汽泡消失。将上述现象和数据一并记录下来。 （5）压力升到100atm，读取值h*，△h* = h* - h0。（注意压力不能超过100atm） 5>、测定临界等温线和临界参数，观察临界现象（Ｔc = 31℃）

（1）仿照第4步测出临界等温线，并由乳光现象确定压力Ｐc和临界比容Ｖc，并将数据记录下来。

（2）临界乳光现象的观察

保持临界温度不变，摇进活塞杆使压力升至78 atm附近处，然后突然摇退活塞杆降压（注意勿使实验本体晃动），在此瞬间玻璃管内将出现圆锥状的乳白色现象，这就是临界乳光现象。

6>、测定t=50℃时的等温线

仿照第4步进行。由于Ｔ＞Ｔc，所以没有相变现象。

3、实验记录

实验日期

室温 ℃ 大气压 h0(mm) 时间 压力P (atm) 高度h 恒温水浴上温度夹套上温度计读计读数(℃) 数(℃) (mm) t = 20℃ 现 象 45 100 45 t = 31℃ 100 t = 50℃ 45 100

六、数据处理

1、求出k。

2、整理数据，并在PV图上画出等温线。

3、与图2中所示的等温线比较，并分析两者之间相差的原因。

4、将实测得的饱和压力和临界压力值与图3中所查得的值比较，分析误差原因。 七、实验报告要求

1、每人一份实验报告；

2、严格按照试验步骤注意记录试验数据，分析试验结果； 3、认真完成实验思考题并为实验改进提出建议。 八、注意事项

1、摇动压力台活塞螺杆时，应用手扶稳压力台，防止因压力台滑动损坏实验台本体。 2、本操作台操作范围 P≤100 atm，t≤50℃，超过此范围承压玻璃管有炸裂的危险。 九、思考题

1、质面比是如何定义的，在实际测量中其意义是什么？

2、在升压实测时，为何所得等温线比标准曲线的斜率大？