二氧化碳P、V、T关系的测定
一、实验目的及要求
1．目的
(1)学习在准平衡状态下，测定气体三个基本状态参数关系的方法。

的临界参数。

(2)观察在临界状态附近汽液两相互变的现象，测定CO
2
(3)掌握活塞式压力计及恒温器等仪器仪表的使用方法。

2．要求
(1)牢固树立热力学平衡态的概念，通过实验掌握系统的划分，明确热力学三
个基本状态参数的含义和特性以及它们和平衡态之间的关系。

(2) 能描述临界现象，懂得临界参数的含义。

(3) 充分理解准静态过程、准静功、简单热力系、状态方程和状态参数坐标图。

二、实验原理
在准平衡状态下，气体的绝对压力p、比容v和绝对温度T之间存在某种确定的函数关系，即状态方程
F p v T=
(,,)0
理想气体的状态方程具有最简单的形式：
=
pv RT
实际气体的状态方程比较复杂，目前尚不能将各种气体的状态方程用一个统一的形式表示出来，虽然已经有了许多在某种条件下能较好反映p、v、T之间关系的实际气体的状态方程。

因此，具体测定某种气体的p、v、T关系，并将实测结果描绘在平面的坐标图上形成状态图，乃是一种重要而有效的研究气体工质热力性质的方法。

因为在平面的状态图上只能表达两个参数之间的函数关系，所以具体测定时有必
要保持某一个状态参数为定值，本实验就是在保持绝对温度T不变的条件下进行的。

三、实验设备
本实验装置所测定的气体介质是二氧化碳。

整套装置由试验台本体、测温仪表、活塞式压力计和恒温器四大部分所组成，其系统示意图见图一
图一试验台系统图
试验台本体的结构如图二所示。

图二试验台本体
1—高压容器 2—玻璃杯 3——压力油 4——水银 5—填料压盖
空间 10——温度计6—密封填料 7—恒温水套 8—承压玻璃 9—CO
2
它的工作情况可简述而下：
由活塞式压力计送来的压力油首先进入高压容器，然后通过高压容器和玻璃
杯之间的空隙，使玻璃杯中水银表面上的压力加大，迫使水银进入预先灌有CO
2
气体受到压缩。

如果忽略中间环节的各种压力气体的承压玻璃管，使其中的CO
2
损失，可以认为CO
气体所受到的压力即活塞式压力计所输出的压力油的压力，
2
气体的其数值可在活塞式压力计台架上的压力表中读出。

至于承压玻璃管中CO
2
容积，则可由水银柱的高度间接测出（下面还将详细述及）。

承压玻璃管外还有一个玻璃套管，其上下各有一个接头，分别用橡皮管与恒
温器联接。

恒温器中的水温由加热器加热、由电接触式水银温度计控制，可以基本保持不变。

恒温器中的电动泵装恒温水抽出，由玻璃套管的下端进入，上端流出，在
气体的温玻璃套管和恒温器之中进行循环。

这样，在稳定情况下，可以认为CO
2
可在等温情况下进行状态的改变。

度与循环水的温度相等。

这就保证了CO
2
活塞式压力计依靠带有活塞的螺杆的前进或后退，改变压力泵中低粘度压力油的压力，它有一个进油阀和两个控制阀，使用时必须严格遵守活塞式压力计的操作规律，以免发生意外，损坏试验台本体。

四、实验步骤
1．熟悉各实验设备，对照图一搞清楚压力传递的路线及恒温器循环的流程。

2．使用恒温器调节温度：
（1）准备工作——在恒温器中加入蒸馏水，水面应离盖板3厘米左右。

检查并接通电路，启动恒温器电动泵，使循环水对流。

（2）调定温度——旋转接触式水银温度计顶部嵌有永久磁铁的胶木帽，到达选定温度后，将胶木帽上的螺钉旋紧。

（3）加热升温——实验时应视工况调节加热器，当恒温器指示灯时明时灭时，说明温度已达到所需温度。

（4）判断定温——观察与玻璃套管相连的温度显示仪，当它的值与恒温
的温度已器上的温度计读数基本相同并且保持不变时，可认为CO
2
恒定。

（注意，此时而时的温度与接触式水银温度计的读数略有不
同，应以前者为准。

）
（5）改变温度——需要改变温度时，重复以上（2）、（3）、（4）各步骤。

3. 加压准备
（1）先关闭压力表控制阀及进入本体油路的控制阀，开启压力计油杯的进油阀。

（2）倒退压力计活塞螺杆，至螺杆全部退出，此时抽油。

（3）先关闭油杯进油阀，再开启压力表和油路的两控制阀。

（4）向前推进活塞螺杆，向本体注油。

如此反复，直至压力表上有读数时止，一般重复两三次即建立油压。

特别应注意以下情况，如螺杆已推进到极限位置，而压力尚未达到所需值，必须再一次抽油加压，此时要严格按以下程序操作，先关油路控制阀；再开油杯进油阀，使压力表压力降至0；关压力表控阀，倒退螺杆抽油至极限位置；然后关闭油杯进油阀，开压力表控制阀，推进螺杆逐渐加压直到刚才所建立的油压时才能开油路控制阀（在此以前油路控制阀决不能开！），进一步加压。

（5）检查确定油杯进油阀关闭、油路及压力表的两个控制阀开启，温度恒定后，开始实验记录。

1．实验记录
在加压过程的状态变化。

将实验过程中的原始缓慢加压，密切注意CO
2
数据和物理现象记录在实验报告上。

实验数据包括：
（1）设备数据：仪器、仪表的名称、型号、规格、精度和量程。

（2）常规数据：室温、当时大气压及实验环境条件。

（3）技术数据：实验中实测的各种数据，可记录在表一中。

*** 注意事项
1. 除t= 20℃时，须加压到绝对压力9.80MPa（表压9.70MPa）外，其余
各等温线均在5 ～ 9MP间测出h值，表压不得超过9.70MPa，温度不
应超过50℃。

2．一般压力间隔可取0.2 ～ 0.5，接近饱和状态和临界状态时压力间隔适当取小些。

3．加压过程应足够缓慢以实现准平衡过程，卸压时应逐渐旋转压力泵手柄，决不可直接打开油杯阀卸压！
4. 实验完毕将仪器设备擦净。

将原始记录交给指导教师签字后方可离开
实验室。

遇到疑难或异常情况应及时询问指导教师，不得擅自违章处
理。

五、 实验数据整理
1． 绝对压力p = p g + p b ；大气压力p b = 0.1 MPa
2． 比容V ：实验中测得CO 2柱的高度h 值应为刻度尺上的读数减去承压玻璃
管上部的实心段h 0的数值，0h h h =-读 比容 V hA v G G
=
= 式中 v -CO 2的比容，3/m kg ； G -CO 2的重量，kg ; V -CO 2的体积，3m ;
A -承压玻璃管的内孔截面积，2m ； h -测得的CO 2柱高度，m ；
由于重量G 和截面积A 不易测出，因此用h 值计算比容v 只能用间接方法确定。

已知CO 2液柱在20℃, 绝对压力为 9.80MPa 时，比容为331.1710/m kg -⨯，若实测CO 2液柱在20℃, 绝对压力为9.80MPa 时的h 1值，则
3311 1.1710/h A
v m kg G
-=
=⨯ 3
1
1.1710A K G h -⨯===常数 于是在任意状态下，CO 2的比容为
A
v h Kh G
=∙
= 即可求得。

3. 将实验结果按下表列示，并将有关数据画在p - v 坐标图上，标注出各条等温线的温度值。

取其中的曲线与CO 2的标准状态图进行比较，分析它们之
间差异产生的原因。

实验记录附表
六、实验结果处理（画p-v图）
预习思考题
工程热力学只讨论处于什么状态的系统？本实验是在什么条件下进行的？
复习思考题：
1.讨论活塞式压力计加压过程的操作规程。

2.恒温器上接触式水银温度计上的读数是循环水的真实温度
么？为什么？
3．你得的CO2状态图中，在汽液共存区的定温线为什么不是水平
的？。