CN113362685B - 一种p-v-t关系测定教学实验台和充灌方法及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种p‑v‑t关系测定教学实验台和充灌方法及使用方法，包括实验装置本体，水浴控温装置、活塞式压力泵和工质充灌系统；实验装置本体包括不锈钢容器，不锈钢容器上设置有第一观察窗和第二观察窗，第二观察窗内部充灌有水银；不锈钢容器顶部设置有与不锈钢容器相连通的玻璃管；第一观察窗与第二观察窗的底部均与工质充灌系统相连；第二观察窗顶部分为两路，一路通过不锈钢管连接有堵头，另一路通过不锈钢管与活塞式压力泵相连。本发明将充灌过程改为外部充灌，无任何水银泄露风险，且整个充灌管路完全真空密封，彻底解决了空气漏入问题，测量得到的数据几乎与标准曲线完全吻合。

Description

一种p-v-t关系测定教学实验台和充灌方法及使用方法

技术领域

本发明涉及能源动力技术领域的实验教学，特别涉及一种p-v-t关系测定教学实验台和充灌方法及使用方法，用于能源动力类p-v-t关系测定专业课程实验的教学。

背景技术

实际流体pvT关系测定实验是国内高校《工程热力学》课程广泛开设的一项课程实验，该实验是使用水银将气相工质封装在玻璃容器内，玻璃容器上部为圆柱形长玻璃管，下部为葫芦形腔体。使用压力泵将压力油送入高压容器，水银在液压油的作用下被压入玻璃容器，使得流体工质的体积发生变化，并在一定的温度和压力条件下发生液化。通过套在玻璃容器长管部位外面的玻璃水套上的标尺读出工质的体积变化量，从而测得实际流体的pvT关系。目前国内高校所使用的实验台均充灌CO₂工质，结构也完全相同，实验台中玻璃容器存在高压爆炸的风险，CO₂液化后的液柱长度过小。此外由于CO₂的临界温度较低，实验在高温天气下难以开设。为解决上述问题，发明人申请了发明专利(专利号201710203927.9)，将流体工质由CO₂改为乙烷，同时在玻璃管外侧使用半导体进行控温，解决了上述问题。然而，改进后的实验台仍存在部分关键问题尚需进一步完善：

(1)流体工质充灌困难，充灌过程水银极易洒出。流体工质以气相的形式从直接套在底部进样口上的软管充入容器中，充灌完成后用夹子将软管夹住，将夹子和软管同时塞入水银杯中，在水银中将软管从进样口退出。该过程操作难度非常大，尤其是软管必须在水银中拔掉，该过程极易导致水银被溅出，或者进样口浮出水银面，导致充灌失败。由于水银溅出后难以清理干净，导致实验室空气长期处于汞蒸气污染状态。

(2)流体工质中的空气难以完全排除，造成较大的实验误差。流体工质充灌时，首先需要对玻璃管进行抽真空，将软管直接套在底部进样口外侧，连接至真空泵进行抽真空。由于软管与进样口之间密封性较差，当停止抽真空后，会有部分空气漏入玻璃管中，导致最终充入玻璃管中的气相工质中不可避免的存在部分空气。当漏入的空气较多时，会对低于临界温度曲线的测量结果造成重大影响，测量得出的饱和液相压力甚至可能高于临界压力，无法用于正常实验教学。

(3)半导体控温平衡时间较长。在发明专利(专利号201710203927.9)中，玻璃管通过恒温铝块进行控温，由于玻璃管与铝块之间存在间隙，导致传热热阻较大，使得玻璃管内工质温度稳定的时间较长。由于本实验测量的实验点数量较多，造成实验可能无法在正常的授课时间内完成。

发明内容

本发明的目的是提供一种方便充灌工质的p-v-t关系测定教学实验台和充灌及使用方法，将气相工质的充灌由原本的内部充灌好再安装实验装置，改为可随时外部直接充灌，且整个充灌管路可实现完全真空密封，彻底解决空气漏入问题；在实验装置本体上开设两个观察窗，将实验装置由全封闭式改为可观测式，在工质充灌和实验测量过程中可直接对实验现象进行观测，不仅完全解决了水银泄露的问题，还能加深学生对实验原理的理解；此外，设计了自动控温的半导体恒温水浴，大大缩短了实验中温度稳定所需要的时间。

为实现上述目的，本发明采用以下的实验方案来实现：

一种p-v-t关系测定教学实验台，包括实验装置本体，水浴控温装置、活塞式压力泵和工质充灌系统；

其中，实验装置本体包括不锈钢容器，不锈钢容器上设置有第一观察窗和第二观察窗，第二观察窗内部充灌有水银；不锈钢容器顶部设置有与不锈钢容器相连通的玻璃管，玻璃管顶部封闭；

第一观察窗与第二观察窗的底部均与工质充灌系统相连；

第二观察窗顶部分为两路，一路通过不锈钢管连接有堵头，另一路通过不锈钢管与活塞式压力泵相连；

玻璃管外侧设置有水浴控温装置。

进一步的，玻璃管顶部设置有顶部压板，顶部压板通过螺纹丝杆与不锈钢容器相连。

进一步的，水浴控温装置包括半导体恒温水浴，设置在玻璃管外侧的水套，水套中安装有铂电阻温度计。

进一步的，水套顶部开设有补水口，铂电阻温度计安装在水套顶部，铂电阻温度计连接有温度控制器；水套侧面设置有水套出水口和水套进水口；水套出水口和水套进水口均与半导体恒温水浴相连。

进一步的，半导体恒温水浴包括水冷头，水冷头通过软管分别与循环浴出口和循环泵相连，水冷头的两个侧面分别设置有加热片和半导体制冷片，半导体制冷片外侧设置有散热器和风扇；半导体制冷片连接有开关电源，加热片通过固态继电器和开关电源连接，固态继电器连接有温度控制器。

进一步的，半导体制冷片的功率为30～120W；加热片为陶瓷片加热器或薄膜加热器，功率为50～200W；循环泵为磁力泵，扬程为1～3米；开关电源的输出电压为12或24V，功率为200～400W。

进一步的，工质充灌系统包括真空泵、第三阀门、第四阀门以及压力传感器，真空泵出口经第三阀门与第二阀门相连，第三阀门与第二阀门之间的管道上设置有压力传感器和气瓶，气瓶与管道之间设置有第四阀门；第二阀门的出口分为两路，一路与第一观察窗相连，另一路与第二观察窗相连。

进一步的，第一观察窗和第二观察窗的材料均为有机玻璃、聚碳酸酯、钢化玻璃或石英玻璃；

第一观察窗内部的容积为35～60mL，第二观察窗内部的容积比第一观察窗大10～30mL；第一观察窗和第二观察窗为圆形通孔，通孔直径为30～50mm；第一观察窗和第二观察窗的材料均为厚度为10～30mm的有机玻璃、聚碳酸酯、钢化玻璃或石英玻璃；

玻璃管距不锈钢容器顶部的1/4～1/2高度位置处设置有限位护板，限位护板由有机玻璃或聚碳酸脂材料制作；

水套的材料为有机玻璃或聚碳酸酯，水套外侧设置有刻度尺；

水套与半导体循环浴中装有水，水中添加亚硫酸钠粉末，亚硫酸钠的质量浓度为4～10％；

不锈钢容器与第二阀门设置在防护罩内；

工质充灌系统中的流体工质为乙烷、二氧化碳、氟甲烷、六氟化硫、五氟乙烷、三氟甲烷、三氟氯甲烷、八氟丙烷或1,1,1-三氟乙烷。

一种基于上述的p-v-t关系测定教学实验台的充灌方法，包括以下步骤：

1)关闭第一阀门，拆下堵头，将水银通过不锈钢管注入不锈钢容器内，所注入的水银的量大于等于不锈钢容器内部体积的80％；使用活塞式液压泵将液压油压至水银的上方，使空气完全从不锈钢管排出，安装好堵头；

2)打开第四阀门以及第二阀门，关闭第三阀门，打开气瓶，观察压力传感器的示数，使其不超过1MPa，然后关闭气瓶；

3)打开真空泵以及第三阀门，由真空泵进行抽真空至1kPa以下，关闭第三阀门，拆下真空泵；打开气瓶，观察压力传感器的示数，使其不超过1MPa，然后关闭气瓶，打开第三阀门放气至当地大气压；最后关闭第二阀门；

4)重复步骤3)2～4次。

进一步的，待温度控制器温度稳定后，将液压油挤入第二观察窗内部，将水银由第二观察窗内部挤入第一观察窗内部，最终挤入玻璃管内部；

当进行压力测量时，对水银柱所产生的压力通过下式进行修正，得到流体工质的实际压力p；

其中，p为活塞式压力泵上的绝压值，Δh₁为水银面距离水套外侧刻度尺下缘的高度差，Δh₀为测量压力传感器与水套外侧刻度尺最下缘的高度差；

改变流体工质的实际压力，分别记录所对应的水银面以上工质的长度，计算获得该温度下工质的p-v关系曲线；

改变温度控制器的温度，获得不同温度下的p-v关系曲线，获取工质的p-v-t关系曲线。

与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：将气相工质的充灌方式改为可随时外部直接充灌，且彻底解决空气漏入问题，是本发明最关键的创新之处。常规实验台气相工质由套在底部进样口上的软管充入容器中，由于软管连接的真空度较差，容器中会残留部分空气，从而导致测量结果误差较大，测量得出的饱和压力甚至可能高于临界压力，无法用于正常实验教学；本发明将充灌过程改为外部充灌，无任何水银泄露风险，且整个充灌管路完全真空密封，彻底解决了空气漏入问题，测量得到的数据几乎与标准曲线完全吻合，克服了现有技术中工质充灌完成后需要用夹子将软管夹住塞入水银杯中，在水银中将软管拔出，该过程操作难度很大，极易导致水银溅出，或进样口浮出水银面，导致充灌失败，并使实验室空气长期处于汞蒸气污染状态的问题。通过设置第一观察窗和第二观察窗，将实验装置由全封闭式改为可观测式，使工质充灌更加安全，使实验原理更加直观。本发明巧妙地将常规实验装置的一个腔体分为两个腔体，通过腔体体积一大一小的设计，可以实现水银的精确充灌和打压过程中水银面位置的精确控制，克服了现有技术中对于封闭式的实验装置结构，由于增压时液压油和水银的移动方向难以准确掌控，因此需要非常精确的控制所注入的水银的多少，容易导致液压油移动至水银面的上方，导致实验充灌失败，而重新充灌时，则更加完全无法保证水银不发生溅出泄漏的问题。将封闭式腔体改为带观察窗的可观测式，使得充灌过程失败的可能性完全消除。学生在实验中，可通过观察窗直接观察液压油和水银的移动情况，加深了学生对实验原理的理解。

进一步的，通过设置半导体恒温水浴，极大缩短了温度稳定的时间，克服了现有技术中常规的实验装置使用普通恒温槽进行控温，受实验教学经费的限制，国内大多数高校的实验台都没有制冷功能，使得高温天气下该实验无法正常开设的问题。

进一步的，本发明通过设置半导体恒温水浴，由于不需要设置储水箱，整个实验装置仅需要300～500mL的水，因此控温速率非常快，实验中切换温度仅需要5分钟左右的时间，大大提高了实验课的效率和课堂秩序，克服了现有技术中，恒温槽均有10～30L的水箱，由于水的比热非常大，因此在切换实验温度时，需要20～30分钟的等待时间，此外当实验装置闲置时，水箱里的水容易变质的问题。

进一步的，由于实验装置全部密封，当实验装置闲置时也无需对水进行更换。

进一步的，在循环水中加入亚硫酸钠，使读数更加准确。当使用普通水时，温度略微升高后水套中会出现大量的气泡，导致刻度尺难以准确读取。本发明通过在水中加入亚硫酸钠粉末，除去水中溶解的氧，在温度升高后完全不会出现气泡，提高了实验读数的方便性和准确度。

进一步的，玻璃管的设计和密封使得安全性大大提高，克服了常规实验装置使用腔体和玻璃管一体式的结构，且水套直接通过密封圈固定在玻璃管的外侧。在水套的安装过程中，极其容易导致玻璃管折断的问题。

进一步的，本发明将不锈钢容器形成的腔体和玻璃管分为两件，玻璃管通过顶部盖板、限位护板和螺纹丝杆进行精确定位，保证玻璃管不会发生倾斜受力，克服了现有技术中玻璃管在安装过程中若略有倾斜，当压力升高时也非常容易破裂的问题。

进一步的，本发明的水套直接与不锈钢容器连接，与玻璃管不发生接触，不会导致玻璃管折断。

进一步的，本发明使用厚壁小直径的水套，能够承受的爆炸压力较大，无需在水套外侧再设置常规实验装置所带的有机玻璃防护罩，不仅减小了实验装置的体积，还减小了刻度尺与眼睛的距离，使得实验读数更加准确。

本发明提高了实验的精度。由于水银的密度非常大，因此在实验中水银柱也将产生一定的压力，尤其是在低于临界温度等温线的实验中，将会使本应完全水平的饱和曲线发生倾斜，使学生产生错误的认识。常规的实验中均未考虑由于水银柱高度所带来的误差，本发明提出将水银柱所产生的压力进行精确折算，可提高实验的准确度和科学性。

附图说明

图1为本发明的实验台结构图。

图2为半导体恒温水浴结构图。

图3为乙烷在25℃时的p-v关系曲线。

图4为六氟化硫在45.57℃时的p-v关系曲线。

其中，1为实验装置本体，2为半导体恒温水浴，3为活塞式压力泵，4为不锈钢容器，5为水套，6为玻璃管，7为螺纹丝杆，8为密封件，9为O型圈，10为第一观察窗，11为第二观察窗，12为限位护板，13为顶部压板，14为铂电阻温度计，15为温度控制器，16为扳动开关，17为压力传感器，18为真空泵，19为气瓶，20为第一阀门，21为第二阀门，22为第三阀门，23为第四阀门，24为工质充灌系统，25为补水口，26为水冷头，27为加热片，28为半导体制冷片，29为散热器，30为风扇，31为循环浴入口，32为循环泵，33为循环浴出口，34为固态继电器，35为开关电源，36为堵头，37为水套出水口，38为水套进水口，39为水银，40为防护罩。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明的测量过程及结果进行说明。

参见图1和图2，本发明的一种方便充灌工质的p-v-t关系测定教学实验台，包括实验装置本体1，半导体恒温水浴2，活塞式压力泵3和工质充灌系统24。

其中，实验装置本体1包括不锈钢容器4，不锈钢容器4前后开两个圆孔，圆孔内安装有第一观察窗10和第二观察窗11，不锈钢容器4内部充灌有水银39。不锈钢容器4顶部中心位置处开圆孔，圆孔与玻璃管6连通，玻璃管6通过密封件8压紧O型圈9实现与不锈钢容器4的密封。不锈钢容器4侧面开设有孔，该孔与第二观察窗11最下方连通，通过不锈钢管连接至第一阀门20，不锈钢容器4侧面开设有孔，该孔与第一观察窗10底部连通，通过不锈钢管连接至第一阀门20与第二阀门21之间的管道。不锈钢容器4侧面开两个孔，这两个孔均与第二观察窗11顶部连通，其中，一个孔通过不锈钢管连接至堵头36，另一个孔通过不锈钢管连接至活塞式压力泵3。玻璃管6顶部设置有顶部压板13，顶部压板13通过螺纹丝杆7与不锈钢容器4相连，玻璃管6中部设置有限位护板12。玻璃管6外围设置有水套5，水套5底部密封，并且水套5底部与不锈钢容器4相连，水套5顶部设置有补水口25，水套5顶部还安装有铂电阻温度计14，铂电阻温度计14连接至温度控制器15。水套5侧面设置有水套出水口37和水套进水口38，分别连接至循环浴入口31和循环浴出口33。

半导体恒温水浴2包括水冷头26，水冷头26通过软管分别与循环浴出口33和循环泵32相连，水冷头26的两个侧面分别设置有两片加热片27和两片半导体制冷片28，半导体制冷片28外侧设置有散热器29和风扇30。半导体制冷片28直接连接至开关电源35，加热片27通过固态继电器34和开关电源35串联连接，固态继电器34连接至温度控制器15。

工质充灌系统24包括第三阀门22、第四阀门23以及连接至第二阀门21的压力传感器17，第三阀门22与真空泵18相连，第四阀门23与气瓶19相连。

进一步的，不锈钢容器4为方钢，边长为70～100mm，高度为150～250mm。

进一步的，玻璃管6的外径为5～8mm，壁厚为1～2mm，长度为400～600mm，其中一端开口，另一端烧结封闭。

进一步的，第一观察窗10内部的容积为35～60mL，第二观察窗11内部的容积比第一观察窗10的容积大10～30mL。第一观察窗10和第二观察窗11的通孔直径为30～50mm。视窗的材料为有机玻璃、聚碳酸酯、钢化玻璃或石英玻璃，厚度为10～30mm。

进一步的，玻璃管6外侧设置有限位护板12，限位护板12由有机玻璃或聚碳酸脂材料制作，厚度为2～10mm，位于玻璃管6距不锈钢容器4顶部为1/4～1/2高度位置处。限位护板12开孔尺寸与顶部压板13相同，通过螺纹丝杆7将玻璃管6位置固定。

进一步的，水套5的材料为有机玻璃或聚碳酸酯，内径为25～50mm，厚度为5～10mm，水套5外侧有刻度尺。

进一步的，水套5与半导体循环浴2中使用去离子水，水中添加亚硫酸钠粉末，使亚硫酸钠的质量浓度为4～10％。

进一步的，不锈钢容器4与管路、第一阀门21与第二阀门20外侧设置有防护罩40，在工质充灌完成后防止学生打开第二阀门21将工质释放出实验装置。

进一步的，水冷头26为长方体，长为80～200mm，宽为40～80mm，厚为8～15mm。半导体制冷片28的边长为40～60mm，功率为30～120W。加热片27为陶瓷片加热器或薄膜加热器，边长为40～60mm，功率为50～200W。循环泵32优选磁力泵，扬程为1～3米。开关电源35的输出电压为12或24V，功率为200～400W。

进一步的，工质充灌系统24中的流体工质为乙烷、二氧化碳、氟甲烷、六氟化硫、五氟乙烷、三氟甲烷、三氟氯甲烷、八氟丙烷或1,1,1-三氟乙烷，优选乙烷或六氟化硫。

一种方便充灌工质的p-v-t关系测定教学实验台充灌方法为：

关闭第一阀门20，拆下堵头36，使用注射器将水银39由与堵头36相连的不锈钢管通过第二观察窗11注入不锈钢容器4内，所注入的水银39的量不小于不锈钢容器4内部体积的80％。使用活塞式压力泵3将液压油通过第二观察窗11压入不锈钢容器4内部，使空气完全从不锈钢管排出，然后重新连接好堵头36。

将工质充灌系统24连接至第二阀门21，打开第四阀门23、第二阀门21，关闭第三阀门22，缓慢打开气瓶19，观察压力传感器17的示数，使其不超过1MPa，然后关闭气瓶19。打开真空泵18，打开第三阀门22，由真空泵18进行抽真空至1kPa以下，关闭第三阀门22，拆下真空泵18。缓慢打开气瓶19，观察压力传感器17的示数，使其不超过1MPa，然后关闭气瓶19，打开第三阀门22放气至当地大气压，重复该步骤2～4次，以确保管路和腔体内部的空气完全排出，最后关闭第二阀门21，拆下工质充灌系统24，罩好防护罩40。

一种方便充灌工质的p-v-t关系测定教学实验台使用方法，如下：

在温度控制器15中设置好实验温度，等待温度稳定后，使用活塞式压力泵3将液压油挤入第二观察窗11内部，将水银39由第二观察窗11内部挤入第一观察窗10内部，最终挤入玻璃管6内部。当进行压力测量时，需要对水银柱所产生的压力进行修正：首先测量压力传感器17与水套5外侧刻度尺最下缘的高度差Δh₀ mm，然后读取水银面距离水套5外侧刻度尺下缘的高度差Δh₁ mm，以及活塞式压力泵3上的绝压值p₀，计算得到流体工质的实际压力p；

改变流体工质的实际压力值，分别记录所对应的水银面以上工质的长度，最终计算获得该温度下该工质的p-v关系曲线。改变温度控制器15的温度，获得其他不同温度下的p-v关系曲线，最终获取工质的p-v-t关系曲线。

下面为具体实施例。

实施例1

使用尺寸为80×80×200mm的不锈钢作为压力容器，观察窗通孔的直径为35mm，第一观察窗10内部的容积为50mL，第二观察窗11内部的容积为60mL。玻璃管6的外径为7mm，壁厚为2mm，长度为500mm。由温度控制器15、水冷头26、半导体制冷片28、陶瓷加热片27、开关电源35和循环泵32(磁力泵)等组装完成半导体恒温水浴2，通过软管连接至水套。使用乙烷作为工质。将温度控制器的温度设置为25.00℃恒定不变。将不锈钢容器4、玻璃管6、管路和阀门连接完成后，对不锈钢容器4和玻璃管6进行抽真空后，充入气相工质乙烷，经过三次反复充放气后，充入乙烷至当地大气压力。由活塞式压力泵3将液压油挤压至第二观察窗11内部，将水银挤入第一观察窗10及玻璃管6内。通过活塞式压力泵3改变玻璃管6内乙烷工质的压力，记录不同压力时乙烷的高度差，通过对水银柱压力的修正，最终绘制成如图3所示的乙烷在25℃时的p-v关系曲线。

从图3中可以明显的看出，使用本实验装置所测量得的乙烷的温度-比容实验数据与图中实现所示的标准曲线非常接近，对水银柱压力进行修正后，实验结果与标准曲线更为接近。

实施例2

使用尺寸为90×90×240mm的不锈钢作为压力容器，观察窗通孔的直径为40mm，第一观察窗内部的容积为60mL，第二观察窗内部的容积为70mL。玻璃管的外径为6mm，壁厚为1.5mm，长度为600mm。由温度控制器、水冷头、半导体片、陶瓷加热片、开关电源和磁力泵等组装完成半导体恒温水浴，通过软管连接至水套。使用六氟化硫作为工质。将温度控制器的温度设置为六氟化硫的临界温度45.57℃恒定不变。将压力容器、玻璃管、管路和阀门连接完成后，对压力容器和玻璃管进行抽真空后，充入气相六氟化硫，经过三次反复充放气后，充入六氟化硫至当地大气压力。由活塞式压力泵将液压油挤压至第二观察窗内部，将水银挤入第一观察窗及玻璃管内。通过活塞式压力泵改变玻璃管内六氟化硫工质的压力，记录不同压力时六氟化硫的高度差，通过对水银柱压力的修正，最终绘制成如图4所示的六氟化硫在45.57℃时的p-v关系曲线。

从图4中可以明显的看出，使用本实验装置所测量得的乙烷的温度-比容实验数据与图中实现所示的标准曲线非常接近，对水银柱压力进行修正后，实验结果与标准曲线更为接近。

Claims (7)

1.一种p-v-t关系测定教学实验台，其特征在于，包括实验装置本体(1)，水浴控温装置、活塞式压力泵(3)和工质充灌系统(24)；

其中，实验装置本体(1)包括不锈钢容器(4)，不锈钢容器(4)上设置有第一观察窗(10)和第二观察窗(11)，第二观察窗(11)内部充灌有水银(39)；不锈钢容器(4)顶部设置有与不锈钢容器(4)相连通的玻璃管(6)，玻璃管(6)顶部封闭；

第一观察窗(10)与第二观察窗(11)的底部均与工质充灌系统(24)相连；

第二观察窗(11)顶部分为两路，一路通过不锈钢管连接有堵头(36)，另一路通过不锈钢管与活塞式压力泵(3)相连；

玻璃管(6)外侧设置有水浴控温装置；

玻璃管(6)顶部设置有顶部压板(13)，顶部压板(13)通过螺纹丝杆(7)与不锈钢容器(4)相连；

半导体恒温水浴(2)包括水冷头(26)，水冷头(26)通过软管分别与循环浴出口(33)和循环泵(32)相连，水冷头(26)的两个侧面分别设置有加热片(27)和半导体制冷片(28)，半导体制冷片(28)外侧设置有散热器(29)和风扇(30)；半导体制冷片(28)连接有开关电源(35)，加热片(27)通过固态继电器(34)和开关电源(35)连接，固态继电器(34)连接有温度控制器(15)；

半导体制冷片(28)的功率为30～120W；加热片(27)为陶瓷片加热器或薄膜加热器，功率为50～200W；循环泵(32)为磁力泵，扬程为1～3米；开关电源(35)的输出电压为12或24V，功率为200～400W。

2.根据权利要求1所述的一种p-v-t关系测定教学实验台，其特征在于，水浴控温装置包括半导体恒温水浴(2)，设置在玻璃管(6)外侧的水套(5)，水套(5)中安装有铂电阻温度计(14)。

3.根据权利要求2所述的一种p-v-t关系测定教学实验台，其特征在于，水套(5)顶部开设有补水口(25)，铂电阻温度计(14)安装在水套(5)顶部，铂电阻温度计(14)连接有温度控制器(15)；水套(5)侧面设置有水套出水口(37)和水套进水口(38)；水套出水口(37)和水套进水口(38)均与半导体恒温水浴(2)相连。

4.根据权利要求1所述的一种p-v-t关系测定教学实验台，其特征在于，工质充灌系统(24)包括真空泵(18)、第三阀门(22)、第四阀门(23)以及压力传感器(17)，真空泵(18)出口经第三阀门(22)与第二阀门(21)相连，第三阀门(22)与第二阀门(21)之间的管道上设置有压力传感器(17)和气瓶(19)，气瓶(19)与管道之间设置有第四阀门(23)；第二阀门(21)的出口分为两路，一路与第一观察窗(10)相连，另一路与第二观察窗(11)相连。

5.根据权利要求1所述的一种p-v-t关系测定教学实验台，其特征在于，第一观察窗(10)和第二观察窗(11)的材料均为有机玻璃、聚碳酸酯、钢化玻璃或石英玻璃；

第一观察窗(10)内部的容积为35～60mL，第二观察窗(11)内部的容积比第一观察窗(10)大10～30mL；第一观察窗(10)和第二观察窗(11)为圆形通孔，通孔直径为30～50mm；第一观察窗(10)和第二观察窗(11)的材料均为厚度为10～30mm的有机玻璃、聚碳酸酯、钢化玻璃或石英玻璃；

玻璃管(6)距不锈钢容器(4)顶部的1/4～1/2高度位置处设置有限位护板(12)，限位护板(12)由有机玻璃或聚碳酸脂材料制作；

水套(5)的材料为有机玻璃或聚碳酸酯，水套(5)外侧设置有刻度尺；

水套(5)与半导体循环浴(2)中装有水，水中添加亚硫酸钠粉末，亚硫酸钠的质量浓度为4～10％；

不锈钢容器(4)与第二阀门(21)设置在防护罩(40)内；

工质充灌系统(24)中的流体工质为乙烷、二氧化碳、氟甲烷、六氟化硫、五氟乙烷、三氟甲烷、三氟氯甲烷、八氟丙烷或1,1,1-三氟乙烷。

6.一种基于权利要求4所述的p-v-t关系测定教学实验台的充灌方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)关闭第一阀门(20)，拆下堵头(36)，将水银(39)通过不锈钢管注入不锈钢容器(4)内，所注入的水银(39)的量大于等于不锈钢容器(4)内部体积的80％；使用活塞式液压泵(3)将液压油压至水银(39)的上方，使空气完全从不锈钢管排出，安装好堵头(36)；

2)打开第四阀门(23)以及第二阀门(21)，关闭第三阀门(22)，打开气瓶(19)，观察压力传感器(17)的示数，使其不超过1MPa，然后关闭气瓶(19)；

3)打开真空泵(18)以及第三阀门(22)，由真空泵(18)进行抽真空至1kPa以下，关闭第三阀门(22)，拆下真空泵(18)；打开气瓶(19)，观察压力传感器(17)的示数，使其不超过1MPa，然后关闭气瓶(19)，打开第三阀门(22)放气至当地大气压，最后关闭第二阀门(21)；

4)重复步骤3)2～4次。

7.一种基于权利要求3所述的p-v-t关系测定教学实验台的使用方法，其特征在于，待温度控制器(15)温度稳定后，将液压油挤入第二观察窗(11)内部，将水银(39)由第二观察窗(11)内部挤入第一观察窗(10)内部，最终挤入玻璃管(6)内部；

当进行压力测量时，对水银柱所产生的压力通过下式进行修正，得到流体工质的实际压力p；

其中，p₀为活塞式压力泵(3)上的绝压值，Δh₁为水银面距离水套(5)外侧刻度尺下缘的高度差，Δh₀为测量压力传感器(17)与水套(5)外侧刻度尺最下缘的高度差；

改变流体工质的实际压力，分别记录所对应的水银面以上工质的长度，计算获得该温度下工质的p-v关系曲线；

改变温度控制器(15)的温度，获得不同温度下的p-v关系曲线，获取工质的p-v-t关系曲线。

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