12556

Давление насыщенного пара, жидкости и твердого тела

Лабораторная работа

Физика

ОТЧЁТ по лабораторной работе № 2т: Давление насыщенного пара жидкости и твердого тела Введение Известно что жидкость находящаяся в открытом сосуде испаряется и тем быстрее чем выше ее температура чем больше свободная поверхность чем эффективнее удаляется ...

Русский

2013-05-01

804 KB

27 чел.

ОТЧЁТ

по лабораторной работе № 2т:

«Давление насыщенного пара, жидкости и твердого тела»

Введение

Известно, что жидкость, находящаяся в открытом сосуде, испаряется и тем быстрее, чем выше ее температура, чем больше свободная поверхность, чем эффективнее удаляется образующийся пар. Аналогичная картина происходит и с твердым телом, только эффект испарения у твердых тел менее выражен.

Если поместить жидкость (твердое тело) в замкнутый вакуумный сосуд, находящийся при постоянной температуре, то с течением времени в нем установится равновесие между паром и жидкостью (твердым телом), при котором плотность пара, а, следовательно, и его давление изменяться не будут. Пар, находящийся в равновесии с жидкостью или твердым телом, называется насыщенным паром. Цель работы - изучение закономерностей процессов перехода веществ в состояние пара и определение термодинамических параметров, характеризующих такие процессы.

1 Теория

Система, состоящая из различных по свойствам частей, разграниченных поверхностями раздела, называется гетерогенной системой.

Часть гетерогенной системы, ограниченная поверхностью раздела и характеризующаяся в отсутствии внешнего поля сил одинаковыми физическими свойствами во всех своих точках, называется фазой системы. В качестве примера фаз можно привести различные агрегатные состояния одного и того же вещества: жидкое, газообразное. К различным фазам относятся также кристаллические модификации вещества, например, - железо и - железо.

В условиях равновесия фазы (') и ('') характеризуются одинаковыми давлением, температурой и равными химическими потенциалами

р' = р'',   Т'=Т'',         ' = ". (1)

Первое условие означает установление механического равновесия (граница раздела неподвижна), второе условие - условие теплового баланса. Равенство химических потенциалов отражает условие материального баланса.

Аналогично условиям равновесия двух фаз равновесие трех фаз определяется равенствами:

р' = р'' = р''', Т'=Т''=Т''', '(P,T) = "(P,T)= '''(P,T).    (2) 

Поскольку химические потенциалы являются функциями температуры и давления, то для изображения состояния вещества обычно пользуются (р,Т) - диаграммой.

Плавление и испарение являются наиболее простыми примерами фазовых переходов 1 рода, которые сопровождаются тепловыми и объемными эффектами.

Энергия, необходимая для превращения единицы массы жидкости (твердого тела) в пар при постоянной температуре, называется теплотой испарения, которая складывается из энергии, затраченной против сил сцепления, и работы против внешнего давления при переходе из одной фазы в другую. Теплоту испарения, отнесенную к одной молекуле, можно рассматривать как меру той работы, которую должны совершить молекулы, чтобы выйти из жидкости (твердого тела).

Поскольку плотность фаз различна, то при фазовых переходах первого рода происходит также и изменение удельного объема.

Уравнение Клапейрона-Клаузиса является дифференциальным уравнением кривой фазового равновесия.

Рассмотрим однокомпонентную систему. Обозначим через ', '' и ''' химические потенциалы соответственно для твердого, жидкого и газообразного состояния. Тогда для равновесия жидкой и твердой фаз , а в равновесии жидкость-пар , наконец, при равновесии твердое тело - пар .

Воспользуемся этим. Пусть фаза j переходит в фазу f при температуре Т и давлении Р. Тогда. .

Если переход будет происходить при температуре Т+dТ и давлении Р+dР, то:

 (3)

Следовательно,

(4)

Соотношение (4) можно записать в виде:

(5)

где S и V - молярные энтропия и объем вещества.

Отсюда:

. (6)

Изменение энтропии связано с теплотой фазового перехода соотношением

. (7)

Таким образом, для соотношения (6) можно записать

,                                         (8)

где  - изменение мольного объема при переходе вещества из одной фазы в другую.

Последнее уравнение описывает зависимость давления фазового перехода от температуры и называется уравнением Клапейрона-Клаузиса.

2 Экспериментальная установка

Измерение зависимости температуры насыщенного пара воды от давления

Для построения кривой равновесия в системе жидкость - пар необходимо измерить зависимость температуры пара над жидкостью от его давления.

В данном варианте используется установка, представленная на рис.1.

1 – конденсатор емкостью 25 мкФ; 2- рабочая камера; 3 - нагреватель; 4 - манометр; 5 - цифровой вольтметр; 6 - сосуд для нулевых концов термопары; 7 – термопара

Рис.1 Принципиальная схема экспериментальной установки

В работе используется принцип непосредственной передачи давления пара через жидкость в манометр через соединительное колено.

Для нагрева и испарения жидкости используется электрическая печь, непосредственно намотанная на рабочую камеру 2. Нагрев приводит к росту температуры и давления паров воды, регистрируемого манометром 4.

Измерение температуры в рабочей камере осуществляется при помощи хромель-копелевой термопары 7, помещенной в запаянном капилляре внутри рабочей камеры, и цифрового вольтметра 5. Нулевые концы термопары помещены в сосуде Дьюара 6.

3 Методика проведения эксперимента

Определение теплоты испарения из кривых фазового равновесия:

Для получения зависимости температуры насыщенного пара от давления рассмотрим Р-Т диаграммы.

Кривая испарения, разделяющая фазы: твердое тело - пар, жидкость-пар состоит из двух частей: кривой сублимации и кривой парообразования.

Если температура фазового перехода значительно меньше критической, то объемом жидкости в случае парообразования или объемом твердого тела в случае сублимации можно пренебречь и уравнение Клапейрона-Клаузиса записать в виде:

                                                     (9)

где  - объем одного моля пара.

При температурах значительно меньше критической пар можно считать идеальным газом. Для одного моля:

.                                                    (10)

Учитывая последнее соотношение, уравнение (9) можно записать в следующей форме:

.                                                  (11)

В таком приближении теплоту испарения можно считать приблизительно постоянной, не зависящей от температуры. Интегрируя последнее соотношение, имеем:

                                               (12)

Последнее выражение позволяет определить экспериментально теплоту испарения, которая определяется тангенсом угла наклона прямой в координатах.

Отклонение экспериментальных значений от прямой может указывать на зависимость теплоты испарения от температуры.

4 Опытные данные и обработка результатов измерений

4.1 Опытные данные

Атмосферное давление Ратм. = 730 mm Hg

Давление в Паскалях: P = P[дел.]*980,66 + 133,32*Ратм. [mm Hg]

Температура вычисляется по формуле: Т[K] = (E[mV] + 0,84)/0,076 + 273

№ п.п.

P, дел.

E, mV

P, Па

Т, К

ln P

1/T

yixi

(xi)2

Выч. Ош.

1

0

6,238

9,73E+04

366

11,486

0,00273

0,031371

7,45977E-06

0,002007

2

30

6,849

1,27E+05

374

11,750

0,00267

0,031403

7,14265E-06

0,001742

3

60

7,341

1,56E+05

381

11,959

0,00263

0,031417

6,90177E-06

0,001895

4

90

7,798

1,86E+05

387

12,131

0,00259

0,031375

6,68877E-06

0,000907

5

120

8,140

2,15E+05

391

12,278

0,00256

0,03139

6,53576E-06

0,001747

6

150

8,487

2,44E+05

396

12,407

0,00253

0,031352

6,38581E-06

0,001278

7

180

8,794

2,74E+05

400

12,520

0,00250

0,031319

6,25741E-06

0,001098

8

210

9,074

3,03E+05

403

12,622

0,00248

0,031286

6,14365E-06

0,000972

9

240

9,317

3,33E+05

407

12,715

0,00246

0,031268

6,04741E-06

0,001228

10

270

9,540

3,62E+05

410

12,800

0,00244

0,031251

5,96108E-06

0,001566

11

300

9,750

3,92E+05

412

12,878

0,00243

0,031231

5,88145E-06

0,001866

12

330

9,967

4,21E+05

415

12,950

0,00241

0,031191

5,80084E-06

0,001577

13

0

6,410

9,73E+04

368

11,486

0,00271

0,031178

7,3684E-06

0,000998

14

30

7,064

1,27E+05

377

11,750

0,00265

0,031167

7,03586E-06

0,002457

15

60

7,583

1,56E+05

384

11,959

0,00261

0,031156

6,78773E-06

0,003102

16

90

8,027

1,86E+05

390

12,131

0,00257

0,031132

6,58573E-06

0,003714

17

120

8,384

2,15E+05

394

12,278

0,00254

0,031134

6,42977E-06

0,002805

18

150

8,701

2,44E+05

399

12,407

0,00251

0,03113

6,29589E-06

0,002074

19

180

8,988

2,74E+05

402

12,520

0,00249

0,031121

6,17826E-06

0,00153

20

210

9,246

3,03E+05

406

12,622

0,00246

0,031112

6,0753E-06

0,001009

21

240

9,493

3,33E+05

409

12,715

0,00245

0,031091

5,97912E-06

0,000804

22

270

9,725

3,62E+05

412

12,800

0,00243

0,031066

5,89085E-06

0,000682

23

300

9,935

3,92E+05

415

12,878

0,00241

0,031048

5,81262E-06

0,000467

24

330

10,129

4,21E+05

417

12,950

0,00240

0,031031

5,74173E-06

0,000266

D=

5,48208E-06

a=

-4,553E+03

296,992

0,06063

0,749218

1,534E-04

0,037791

b=

23,88

L=

37,8

кДж/моль

DL=

0,7

кДж/моль

4.2 Расчет опытных данных 

Пользуясь методом наименьших квадратов, вычислим теплоту испарения.

Ln(P) = A*(1/T) + B

A = -4,55*103 К В = 23,88

А = L/R, где R – универсальная газовая постоянная; R = 8,31441 Дж/моль*К

L = A*R L = 4,55*103*8,31441 = 37,8 кДж/моль

R можно пренебречь: ∆L = ∆A*R = 0,7 кДж/моль

L = (37,8 ± 0,7) кДж/моль

Теплота испарения L = (37,8 ± 0,7) кДж/моль

Табличное значение теплоты испарения для 100°С Lтабл. = 40,6 кДж/моль

Заключение

Мы изучили закономерности процессов перехода веществ в состояние пара и определение термодинамических параметров, характеризующих такие процессы. Мы получили теплоту испарения L = (37,8 ± 0,7) кДж/моль. Наше значение не сходится с табличным (40,6 кДж/моль). Это может быть вызвано неучтенной систематической погрешностью.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1019. Расчет механического привода 415.5 KB
  Проектный расчет валов редуктора и межосевого расстояния. Конструктивные размеры червяка и червячного колеса. Проектировочный и проверочный расчет передачи. Проверка прочности шпоночного соединения. Выбор смазки редуктора и уплотнительных устройств.
1020. Особенности синтеза цифрового автомата 249.5 KB
  Таблица кодирования внутренних состояний входных и выходных переменных. Построение комбинационного устройства для формирования управляющих сигналов на входах блока памяти. Построение комбинационного устройства для формирования выходных сигналов автоматов. Минимизация функций алгебры–логики по картам Карно.
1021. Устройство кузова грузового вагона открытого типа 519 KB
  Грузовой вагон предназначен для помещения груза и перевозки грузов на которые не влияют атмосферные осадки.
1022. Выбор офисного оборудования для фирмы 363.5 KB
  Общие сведения о сканерах, их разновидности, технологии сканирования, характеристики и определяющие факторы выбора. Технико-экономический анализ технических и стоимостных характеристик принтеров. Описание выбранного принтера HP OfficeJet Pro K5400dn и расчет эквивалентного процента прибыли
1023. Расчет зоны ТО-1 в автотранспортном предприятии 558.5 KB
  Корректирование периодичности ТО и пробега автомобилей до КР. Расчет годового объема работ по ТО, ТР и самообслуживанию. Техника безопасности и пожарная безопасность, охрана труда, окружающая среда. Распределение рабочих по специальностям, квалификации, рабочим местам. Назначение и область применения приспособления. Подбор технологического оборудования.
1024. Особенности государственного и правового развития Древней Греции 151.5 KB
  Государственный механизм в Древней Греции. Полномочия органов государственной власти. Политически-правовой режим, административно-территориальное устройство, форма правления. Основные реформы в области государственного управления и законодательства.