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

22764. Українське питання в політиці європейських держав доби II світової війни 59.5 KB
  ОсубкоюМоравським делегація депутатів Законодавчих Національних Зборів Чехословацької Республіки делегація представників Республіканської партії США делегація депутатів Великих Народних Зборів Болгарії Президент Угорщини Т. Позиція США та Великої Британії щодо України. керівник східноєвропейського відділу держдепартаменту США Ч. Посол США в СРСР А.
22765. Діяльність УРСР в ООН та інших міжнародних організаціях 1954-1964рр 50.5 KB
  Співпраця України та НАТО: стан проблеми перспективи. Співпраця України та НАТО: стан проблеми перспективи. Офіційні документи Партнерство заради миру: рамковий документ 10 січня 1994 року Брюссель Угода про безпеку між Урядом України і Організацією Північноатлантичного Договору 13 березня 1995 року Брюссель Хартія про особливе партнерство між Україною та Організацією ПівнічноАтлантичного Договору 9 липня 1997 р Мадрид Меморандум про взаєморозуміння щодо планування при надзвичайних ситуаціях цивільного характеру та готовності...
22766. Перші зовнішньополітичні акції Наркомату закордонних справ УРСР 55 KB
  Позиція та інтереси України шодо інтеграційних утворень на пострадянському просторі. Участь України в субрегіональних утвореннях в регіоні ЦСЄ Перші зовнішньополітичні акції Наркомату закордонних справ УРСР. Правда дещо несподіваною виявилася кандидатура наркома закордонних справ України. Позиція та інтереси України шодо інтеграційних утворень на пострадянському просторі.
22767. Утворення Наркомату закордонних справ УРСР: структура та напрямки діяльності 46.5 KB
  Співробітництво Україна ОБСЄ: напрямки та форми співпраці. Співробітництво Україна ОБСЄ: напрямки та форми співпраці. Україна є учасницею ОБСЄ з 30 сiчня 1992 року. З цього часу вона бере активну участь у роботi всiх колективних керiвних органiв Органiзацiї самiти державучасниць ОБСЄ засiдання Ради мiнiстрiв та Постiйної ради ОБСЄ виробленнi та прийняттi ними рiшень з рiзних аспектiв її дiяльностi.
22768. Встановлення кордону УРСР з сусідніми державами після II світової війни 38.5 KB
  Ядерне роззброєння України: процес реалізації та наслідки. Україна та конфлікти на Балканах. з'їзд народних комітетів у Мукачеві схвалив Маніфест про возз'єднання Закарпатської України з УРСР і вихід зі складу Чехословаччини обрав Народну Раду з 17 осіб. Вже 5 грудня Народна Рада схвалила декрет про припинення зв'язків народних комітетів Закарпатської України з уповноваженим уряду Чехословаччини й висунула вимогу щоб він залишив межі краю.
22769. Участь УРСР в розвязанні німецького питання 49.5 KB
  Політика України шодо держав Азії. Приєднання України до Євросоюзу посилює потенціал впливу Союзу на процеси в пострадянському просторі що суперечить інтересам Росії. Важливо що вже є усталеною тенденцією зближення інтересів Росії з ЄС або з США призводить до активізації механізмів м'якої ізоляції України що є наслідком різких коливань в зовнішньополітичній стратегії останньої від одного пріоритетного напрямку до іншого. вже озвучувалася ідея відносин України з ЄС у вигляді Спільного політичного й економічного європейського простору але...
22770. Участь УРСР у розв’язанні повоєнних проблем в Європі 62 KB
  Значне місце на початковому етапі роботи конференції посіло обговорення процедурних питань. Створена конференцією комісія з політичних і територіальних питань мирної угоди з Болгарією ухвалила постанову РМЗС про збереження існуючого болгарогрецького кордону. Україна активно включилась у процес прийняття найважливіших рішень із найскладніших питань сучасних міжнародних відносин. Наша держава створивши світовий прецедент відмови від ядерної зброї виступила за зміцнення Глобальної безпеки не за рахунок поступового розповсюдження ядерної...
22771. Діяльність ЮНРРА в УРСР 52 KB
  Позиція України щодо конфліктів на пострадянському просторі. Миротворча діяльність України. Миротворча діяльність України. представникiв України взяли участь в 20 минулих та триваючих миротворчих операцiях та мiсiях ООН.
22772. Проблема множинного представництва й міжнародних відносинах завершального етапу II світової війни 55.5 KB
  Ключові інтереси України щодо країн Західної Європи. Відносини України з державами Латинської Америки. Передбачалося що на початку роботи конференції делегати Великобританії й США підтримають пропозицію про допуск до первісного членства двох радянських республік України та Білорусії.Ключові інтереси України щодо країн Західної Європи Об`єктивна необхідність вимагає поступового але неухильного включення економіки України до системи міжнародного поділу праці МПП світових інтеграційних процесів.