11572

Изучение кривой равновесия жидкости и её насыщенного пара

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 4 Изучение кривой равновесия жидкости и её насыщенного пара Оборудование: круглодонная колба с термометром; откачиваемая магистраль включающая рубашку охлаждения и балластные баллоны; мембранный манометр; насос Комовского; электроплитка н...

Русский

2013-04-08

155.5 KB

7 чел.

Лабораторная работа № 4

Изучение кривой равновесия жидкости и её насыщенного пара

Оборудование: круглодонная колба с термометром; откачиваемая магистраль, включающая рубашку охлаждения и балластные баллоны; мембранный манометр; насос Комовского; электроплитка на подъёмной платформе.

Общие представления

При рассмотрении фазовых превращений в качестве параметров состояния удобно взять давление и температуру. На плоскости переменных Р, Т область жидкого состояния вещества отделена от области газообразного состояния, так называемой, кривой равновесия ОК (рис.1). При переходе через неё наблюдается превращение жидкости в пар или наоборот. На кривой равновесия состояние двухфазной системы (жидкость - пар) устойчиво. Соотношение между массами этих фаз может измениться лишь вследствие получения или потери системой теплоты.

Количество теплоты q, затрачиваемое на превращение единичной массы жидкости в пар, называется удельной теплотой испарения (преобразования). По первому началу термодинамики

,   (1)

где  - удельные внутренние энергии, а  - удельные объёмы соответственно пара и жидкости.

Рис. 1. Схематическое изображение кривой равновесия в двух вариантах

её экспериментального получения. Стрелки показывают направление процессов в системе.

Уравнение кривой равновесия Р = f(T) можно найти из соотношения Клапейрона-Клаузиуса

,   (2)

которое описывает связь приращений dP и dT вдоль кривой равновесия. Чтобы проинтегрировать уравнение (2), следует выразить удельные объёмы  и теплоту испарения q через параметры состояния Р, Т.

Вдали от критической точки можно пренебречь в формулах (1), (2) объёмом  по сравнению с  и, полагая пар идеальным газом, выразить объём  из уравнения Клапейрона-Менделеева . Кроме того в не слишком широком диапазоне температур можно пренебречь тепловым расширением жидкости и считать удельные теплоёмкости пара и жидкости  постоянными. Тогда, используя соотношение Майера  нетрудно получить (см. п. 3 из § 114 в [1])

,                               (3)

где значение  соответствует некоторой температуре .

Подставляя выражение (3) в соотношение (2) и интегрируя его, можно получить уравнение Кирхгофа

,       (4)

где , . Постоянную интегрирования A можно выразить через известные для некоторой точки кривой равновесия значения ,  и представить уравнение этой кривой в виде

.      (5)

Вводя обозначения , , запишем уравнение (5) как

,       (6)

Если , то  и зависимость (6) можно считать линейной y = kx, где . В этом приближении кривая равновесия на плоскости переменных x, y будет иметь вид прямой, проходящей через начало координат с коэффициентом наклона . Определяя из опытных данных этот коэффициент, нетрудно найти удельную теплоту испарения жидкости  при  выбранной температуре .

Метод измерений и лабораторная установка

Экспериментально уравнение кривой равновесия можно получить, измеряя при разных температурах давление насыщенного пара над жидкостью в замкнутой полости, из которой предварительно удалены посторонние газы. Этот, статический метод удобен для летучих веществ (таких, как эфир), у которых мала удельная теплота испарения. Для слаболетучих веществ (таких, как вода) этот  метод неэффективен, так как требует больших затрат времени на достижение фазового равновесия в каждой температурной точке.

Независимо от состава газовой фазы, оказывающей давление на жидкость, кипение последней начинается лишь тогда, когда внешнее давление опускается до величины давления насыщенного пара при данной температуре. Поэтому зависимость давления насыщенного пара от температуры  можно установить, изучая зависимость температуры кипения жидкости от внешнего давления . Математически, вторая из этих функций будет обратной по отношению к первой. Использующий это обстоятельство, динамический метод не требует установления фазового равновесия в системе и предварительного удаления из неё воздуха.

Установка для исследования зависимости температуры кипения жидкости от внешнего давления изображена на рис. 2. Она состоит из круглодонной колбы К с термометром Т, рубашки водяного охлаждения Р, мембранного манометра М, балластных баллонов Б1, Б2 и ручного насоса Комовского Н.

Для заливания в колбу жидкости, запуска воздуха и соединения с откачиваемой магистралью используется трехходовый кран К1. Такой же кран К2 соединяет откачиваемый объём с манометром и балластными баллонами с силикагелем. Последние предотвращают резкие скачки давления в системе и попадание влаги в полость насоса. Рубашка охлаждения служит для конденсации пара и сводит к минимуму его вынос в откачиваемую магистраль. Герметичность соединений в системе обеспечивается вакуумной смазкой и гермесилом. Из соображений безопасности измерительная установка закрыта защитным плексигласовым экраном.

Для нагревания жидкости в колбе используется электроплитка П с конической поверхностью нагрева, установленная на вертикально перемещаемой платформе. Во избежание неравномерного нагрева стенок колбы, коническая поверхность плитки обложена асбестом. Подъём или опускание плитки производится с помощью червячной передачи вращением диска Д, находящегося в лабораторном столе. Такая конструкция подъёмного механизма была предложена и реализована студентом Желваковым А., который смонтировал и всю установку.

Рис. 2. Схема лабораторной установки.

Чтобы уберечь колбу от механических воздействий со стороны плитки, её подъём следует производить плавно, особенно вблизи колбы. Между ними должен оставаться зазор не менее 2 мм. Во избежание износа червячного механизма излишние прогоны плитки вверх-вниз и резкие рывки диска не желательны.

Методические особенности эксперимента

Точность результатов работы сильно зависит от характера кипения, которое должно быть как можно более спокойным, без выбросов жидкости в откачиваемую магистраль. Крайне не желательны явления перегрева жидкости, которые приводят к опасным толчкам в стенки колбы при вскипании. Для их предотвращения в колбу брошены кусочки керамики.

Чтобы исключить влияние перегрева жидкости на результаты опытов, головка термометра должна быть поднята над жидкостью. С другой стороны используемый в работе ртутный термометр - весьма инерционный, и его показания могут не успевать за быстрым изменением температуры пара в колбе, которое происходит при вскипании жидкости. Чтобы обойти это обстоятельство, головка термометра обмотана тряпочкой, которая частично опущена в жидкость.

При больших температурах кипения возможно запотевание стенок колбы, препятствующее снятию показаний термометра, если его шкала находится внутри колбы. Для восстановления прозрачности стенок рекомендуется произвести напуск в колбу атмосферного воздуха, приводящий к быстрой конденсации пара на стенках колбы и их омытию. Однако при этом следует избегать резкого поднятия давления в системе, что чревато ударным воздействием на колбу.

Имея возможность произвольно (при помощи насоса и плитки) изменять как давление, так и температуру вещества в колбе, можно реализовать два варианта съёмки кривой равновесия. В первом - независимой (выставляемой) переменной будет давление, а температура вскипания определится после необходимого нагрева (рис. 1а). Во втором - независимой переменной будет температура, подъём которой производится после некоторого напуска воздуха в колбу (рис. 1б). Выход на кривую равновесия осуществляется в этом случае откачкой колбы. Выбор методики и оценка её удобства предоставляется экспериментатору.

Ввиду невозможности быстрого понижения температуры системы серию измерений при любой из методик следует начинать с точки, соответствующей комнатной температуре. Скорость нагревания колбы dT/dt зависит от величины воздушного зазора h между колбой и плиткой и, таким образом, может регулироваться поднятием или опусканием плитки. Для прекращения нагрева последняя должна быть опущена на расстояние, которое нетрудно оценить в первом же опыте. Отсчет расстояний при этом можно вести по вертикальной линейке, установленной возле плитки.

Отсчет показаний приборов, соответствующий точке кривой равновесия, следует производить по окончании кипения жидкости. Для их проверки рекомендуется сделать один - два "качка" насосом (при этом слышны характерные чмоканья) до нового вскипания жидкости.

Порядок выполнения работы

1. Проверьте наличие в колбе достаточного количества воды (около половины колбы). При необходимости залейте воду через воронку и кран . Поставив краны ,  в рабочее положение, откачайте колбу до давления 0.1 атм (научитесь переводить показания манометра в "атмосферы"). Проверьте герметичность системы.

2. При комнатной температуре откачайте колбу до наименьшего давления и зафиксируйте (запишите) его. Если при этом произойдёт вскипание жидкости, то тем самым будет получена первая экспериментальная точка. Выберите методику измерений: а) или б) по рис. 1. Определите шаг, с которым будете проходить доступный интервал давлений или температур.

3. Пустите воду в рубашку охлаждения. Вращая диск в лабораторном столе, плавно подведите плитку под колбу и осуществите её нагрев. Далее, по выбранной методике выйдите на кривую равновесия и снимите показания приборов. Оцените ошибки измерений.

4. Постепенно повышая давление и температуру, произведите 6 - 10 замеров, отвечающих разным точкам кривой равновесия. Положив  = 1 атм,  = 373 К, вычислите значения величин x, y. Полученные данные поместите в таблицу

T, К

373

P, атм

1

x, К-1

0

Y

0

5. Представьте результаты измерений в виде точек на плоскости переменных x, y, показав там интервалы ошибок. Через точки, отвечающие более высоким температурам, и начало координат, проведите наилучшую прямую. По коэффициенту её наклона k найдите удельную теплоту испарения , т. е. теплоту парообразования воды при её кипении под атмосферным давлением. Оцените ошибку этой величины.

Контрольные вопросы и дополнительные задания

1. Чем отделены области жидкого и газообразного состояния вещества на плоскости переменных P, V?

2. Почему кривая равновесия жидкости и её насыщенного пара обязательно обрывается при достаточно высоких температурах (в критической точке)?

3.  В указанных предположениях выведите формулы (3), (4).

4. По графику зависимости величины y от x оцените температурный диапазон, в котором её можно считать линейной. Укажите возможные причины отклонения экспериментальных точек от построенной прямой при более низких температурах.

5. Учитывая второй член разложения функции  в формуле (6) и табличные значения величин  и , покажите, в какую сторону от прямой должна отклоняться кривая равновесия воды и её насыщенного пара. Согласуется ли это отклонение с опытными данными?

6. Согласуются ли табличные данные по температурной зависимости удельной теплоты испарения воды и значения ,  с формулой (3)?

Литература

1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 2. М.: Наука, 1990. - §§ 113, 114.

2. Матвеев А. Н. Молекулярная физика. М.: Высшая школа, 1981. - §§ 30, 31.

Постановка данной работы была стимулирована доцентом кафедры общей и физической химии Ярославского политехнического института Олейниковой А. Л.

5

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81854. Морской транспорт. Роль морского транспорта в перевозочном процессе 26.92 KB
  Роль морского транспорта в перевозочном процессе. Перестройка экономики и неизбежный спад производства приватизация речных судов в основном привели к наблюдаемому практическому отсутствию этого вида транспорта в перевозочном процессе. Для возрождения речного транспорта Казахстана необходимо выполнить большие объемы работ по улучшению дна рек созданию навигационных систем судоходства регулированию сроков навигации с учетом периода нереста рыб и т. Для развития водного транспорта Казахстана особое значение имеет Каспийское море и порт Актау.
81855. Техническая политика в области специализации различный видов транспорта 28.16 KB
  Научно-техническая политика на транспорте тесно связана со структурной определение темпов пропорций и приоритетов в развитии транспортной отрасли и инвестиционной определение объема структуры и направлений капиталовложений с целью обновления основных транспортных фондов. Структурная политика направлена: на ускоренное развитие наукоемких составных частей различных видов транспорта определяющих рост производительности труда и повышение социальноэкономической эффективности транспортного производства; на свертывание неэффективных...
81856. Речной транспорт. Тенденции развития 27.28 KB
  Речной транспорт внутренний водный транспорт транспорт осуществляющий перевозки грузов и пассажиров судами по внутренним водным путям как по естественным реки озёра так и по искусственным каналы водохранилища. Перевозки по Каспийскому морю относятся к морскому транспорту хотя фактически это море является озером самым большим в мире. Главным преимуществом речного транспорта является низкая себестоимость перевозок; благодаря ей он продолжает занимать важное место в транспортной системе несмотря на низкие скорости и сезонность.
81857. Транспортный процесс и его элементы 30.31 KB
  Транспортный процесс это совокупность операций с грузами и транспортными средствами в результате выполнения которых грузы изменяют своё положение в пространстве. Структура транспортного процесса включает три элемента подпроцесса: процесс погрузки; процесс перевозки; процесс разгрузки. Основной элемент транспортного процесса перевозка грузов все другие элементы подчинены ему.
81858. Основные принципы проектирования транспортных узлов 28.9 KB
  Принцип общей эффективности. Принцип комплексной оптимизации. В основе этого принципа лежит утверждение что независимая оптимизация отдельных подсистем не обеспечивает оптимальности режимов функционирования узла как системы в целом.
81861. Воздушный транспорт 29.54 KB
  Возду́шное су́дноэто летательный аппарат поддерживаемый в атмосфере за счёт взаимодействия с воздухом Аэропо́рт комплекс сооружений предназначенный для приёма отправки базирования воздушных судов и обслуживания воздушных перевозок имеющий для этих целейаэродром аэровокзал в крупных аэропортах нередко несколько аэровокзалов один или несколько грузовых терминалов и другие наземные сооружения и необходимое оборудование.трта следует отнести высокую с с перевозок.
81862. Взаимодействие развития науки и транспорта 22.31 KB
  Современное состояние и тенденции развития транспорта и транспортной науки. Рассматриваются вопросы разработки и внедрения новых технических средств и технологических процессов на всех видах транспорта. Уделяется особое внимание инновациям на транспорте повышению уровня развития и управления транспортных отраслей а также транспортного машиностроения применению математических методов для оптимизации транспортных систем совершенствованию систем автоматизации функционирования сложных технических устройств методов и средств передачи и...