37893

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ ВОДЫ

Лабораторная работа

Физика

12 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 122 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ ВОДЫ Цель работы Определение удельной и молярной теплоты парообразования воды при фазовом переходе первого рода по экспериментально полученной зависимости давления насыщенных паров от температуры.11 Полученная формула устанавливает связь между молярной теплотой парообразования воды давлением и температурой водяного пара. Изменяя температуру пара T необходимо построить график зависимости по угловому коэффициенту которого можно определить молярную теплоту парообразования...

Русский

2013-09-25

115 KB

49 чел.

Содержание

1. Цель работы…………………………………………………………..4

2. Теоретическая часть………………………………………………….4

3. Экспериментальная часть……………………………………………8

3.1. Приборы и принадлежности.....……………………………………8

3.2. Требования по технике безопасности……………………………..9

3.3. Порядок выполнения работы……………………………………...10

3.4. Обработка результатов измерения……………………………….10

4. Требования к отчёту…………………………………………...…….11

5. Контрольные вопросы……………………………………………….11

Список литературы………………....…………………………………..12


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 122

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ ВОДЫ

  1.  Цель работы

Определение удельной и молярной теплоты парообразования воды при фазовом переходе первого рода по экспериментально полученной зависимости давления насыщенных паров от температуры.

  1.  Теоретическая часть

Фазой называется термодинамически равновесное состояние вещества, имеющая границу с другими частями системы, в которой она находится,  и отличающееся по физическим свойствам от других возможных равновесных состояний того же вещества. Фазовый переход первого рода всегда сопровождается поглощением или выделением скрытой теплоты Q и изменением удельного объема  и молярного объема μυ вещества, μυ =, где  – число молей; , m – масса, μ – молярная масса вещества.

Поскольку количество скрытой теплоты зависит от массы вещества, претерпевающей фазовый переход, для характеристики процесса используется удельная теплота перехода q, отнесенная к единице массы вещества:

                                                   ,                                                  (2.1)

и молярная теплота перехода μq, отнесенная к одному молю вещества:

                                                    .                                             (2.2)

При постоянном давлении фазовый переход всегда проходит при определенной температуре, называемой температурой перехода, при которой возможно термодинамическое равновесие фаз при данном давлении. Для рассмотрения фазового перехода       «жидкость – пар» обратимся к изотермам, построенным для нескольких значений температуры (Т1, Т2) на PV диаграмме рис.2.1.

Рис.2.1. Изотермы Ван-дер-Ваальса и реального вещества

Горизонтальные участки изотерм отвечают областям фазового перехода. В процессе перехода молярный объем скачкообразно изменяется от величины , что соответствует молярному объему жидкой фазы, до  величины , что соответствует молярному объему газообразной фазы. Любая точка с координатами p и , находящаяся справа от кривой EDB, соответствует газообразному состоянию. Любая другая точка с координатами p' и , расположенная слева от кривой ECA, соответствует жидкому состоянию вещества. Все точки, лежащие внутри кривой ACEDB, соответствуют двухфазным состояниям, т.е. состояниям, при которых одновременно существует жидкость и насыщенный пар над ней. Интервал – представляет собой область двухфазного состояния (жидкость – пар) вещества. Среди всех возможностей температур есть одна, называемая критической температурой Ткр, при которой горизонтальный участок изотермы, что отвечает фазовому переходу, вырождается в точку перегиба (точка E на рис.2.1). При температуре вещества, больше критической, исчезает разница между паром и жидкостью, а вещество ни при каком давлении невозможно перевести из газообразного в жидкое состояние. За областью фазового перехода состояние реального вещества в жидкой и газообразной фазах достаточно точно описывает уравнение           Ван-дер-Ваальса, которое для одного моля газа имеет вид

                                                                           (2.3)

где а и b введены для учета потенциального взаимодействия между молекулами и собственного объема газа. Изотерма, описываемая уравнением Ван-дер-Ваальса на PV диаграмме для температуры Т1, изображена на рис.2.1 штрихпунктирной линией.

Для вычисления изменения давления насыщенного пара в зависимости от температуры проведем для одного моля вещества цикл Карно, в который входят горизонтальные участки изотерм реального вещества АВ и СD (рис.1). Пусть Р1=Р; Р2=Р+dР; Т1=Т; Т2=Т+dТ. Выполненная за цикл работа δА равна площади этого цикла на PV диаграмме, а сам цикл, учитывая близость изотерм его образующих, можно приближенно считать параллелограммом.

Тогда

                                          .                                (2.4)

В ходе изотермического фазового перехода (участок АВ) вещество получает от нагревателя количество теплоты, равное молярной теплоте перехода  . Поэтому КПД цикла можно записать в виде

     .                          (2.5)

Поскольку рассматривается цикл Карно, КПД этого цикла можно записать, используя теорему Карно:

.                                         (2.6)

Приравняв выражение (2.5) и (2.6), получим

.                                      (2.7)

Соотношение (2.7) называется уравнением                 Клапейрона-Клаузиуса. Его можно использовать для определения теплоты парообразования жидкости. Учитывая, что при температурах, далеких от критической, , получаем

.                                                 (2.8)

На участках невысоких давлений к пару можно применить законы идеального газа, и тогда удельный объем  можно определить из уравнения Клапейрона-Менделеева:

.                                             (2.9)

Подставляя значение  из формулы (2.9) в соотношение (2.8), получим

.                                   (2.10)

Считая величину q постоянной для исследуемого интервала изменения температуры, проинтегрируем уравнение (2.10)

                                           .                                  (2.11)

Полученная формула устанавливает связь между молярной теплотой парообразования воды, давлением и температурой водяного пара. Изменяя температуру пара T, необходимо построить график зависимости , по угловому коэффициенту которого  можно определить молярную теплоту парообразования воды.

Постоянную интегрирования можно найти, если известно давление насыщенного пара P0 при какой – либо одной температуре T0. При этой температуре

                                                                  (2.12)

Исключая постоянную интегрирования, получим

                                                                         (2.13)

Соотношение (2.13) выражает зависимость давления насыщенного пара от температуры.

  1.  Экспериментальная часть
    1.  Приборы и принадлежности

Для определения теплоты парообразования воды предназначена экспериментальная установка ФПТ 1 – 10, общий вид которой показан на рис. 3.1.

Рис.3.1. Общий вид экспериментальной установки ФПТ1–10:

1–блок приборов, 2–блок рабочего элемента, 3–стойка,

4–ампула с веществом, 5–термостат, 6–цифровой термометр, 7–вакуумметр.

Рабочий элемент установки представляет собой стеклянную ампулу 4 с исследуемым веществом (в данной работе исследуется вода), из которой откачан воздух до давления 0,1 ÷ 1 Па, размещенную в термостате 5. Ампула соединена с вакуумметром 7, показания которого P соответствуют разности между атмосферным давлением в лаборатории P0 и давлением водяного пара в ампуле Pп, следовательно:

PпP0P.                                            (3.1)

Температура пара измеряется цифровым термометром, датчик которого находится в термостате, и регистрируется на цифровом индикаторе «Температура» 6 блока рабочего элемента 2. Для нагрева ампулы с исследуемой жидкостью в термостате, заполненном водой, находится нагревательный элемент, выполненный из нихромовой спирали, помещенной в трубку из кварцевого стекла.

Для получения достаточной точности эксперимента нагревание воды в термостате должно происходить достаточно медленно, чтобы температуру воды в ампуле можно было считать равной температуре

воды в термостате. Необходимая мощность нагревателя устанавливается регулятором «Нагрев», который находится на передней панели блока приборов 1. В блоке рабочего элемента находится компрессор, с помощью которого в термостат можно подавать сжатый воздух для обеспечения равномерного нагревания воды в термостате. Интенсивность подачи сжатого воздуха устанавливается регулятором «Воздух», который находится на передней панели блока приборов.

3.2. Требования по технике безопасности

  1.  Перед началом выполнения лабораторной работы, внимательно ознакомьтесь с описанием экспериментальной установки.
  2.  Все электрические приборы, используемые, в экспериментальной установке должны быть обязательно заземлены.
  3.  Запрещается класть какие-либо посторонние предметы на приборы экспериментальной установки.
  4.  Запрещается прикасаться к оголённым участкам электрооборудования, предварительно их не обесточив. При обнаружении таковых – обратиться к преподавателю.
  5.  По окончании работы обесточьте приборы, приведите в порядок рабочее место.

3.3. Порядок выполнения работы

1. Убедиться в том, что уровень воды в термостате не менее чем на 2 см выше верхнего края ампулы, после чего включить установку тумблером «Сеть».

2. Включить тумблер подачи воздуха и регулятором «Воздух» установить такую интенсивность подачи сжатого воздуха в термостат, при которой обеспечивается перемешивание воды без ее сильного бурления.

3. Включить тумблер «Нагрев», регулятор мощности «Нагрев» установить в крайнее правое положение.

4. После нагревания воды до температуры 65°С уменьшить мощность нагревателя, вращая регулятор мощности «Нагрев» влево.

5. В диапазоне температур термостата (68÷98)°С снимать показания вакуумметра через каждые 2°С. Перевести показания N вакуумметра в единицы давления P = a N, где a – цена деления шкалы вакуумметра; = 2000 Па/дел. Регулятор мощности «Нагрев» вывести в крайнее левое положение, включить тумблер «Нагрев». Результаты измерений занести в таблицу.

6. Выключить подачу сжатого воздуха тумблером «Воздух».

7. Выключить установку тумблером «Сеть».

Таблица

Номер

измер.

t, ° С

Т,  К

1/Т, К-1

P, Па

PП, Па

ln PП

μ q,

Дж/моль

q,

Дж/К2

3.4. Обработка результатов измерения

  1.  По формуле (3.10) вычислить давление водяного пара в ампуле.
  2.  Построить график зависимости давления пара в ампуле от температуры пара Pп = f (T), которая соответствует фазовому переходу между жидкостью и паром.
  3.  Вычислить значения 1/Т и ln Pп и построить график зависимости: ln Pп = f (1/T). Определить угловой коэффициент Kα графика.
  4.  Используя найденный угловой коэффициент Kα, определить молярную теплоту парообразования воды μ q по формуле μ q = Kα R.
  5.  Вычислить удельную теплоту парообразования воды q, учитывая, что молярная масса воды μ=18·10 –3 кг/моль.
  6.  Определить абсолютную и относительную ошибки  результатов измерения.
  7.  Сравнить полученные данные удельной теплоты парообразования воды с табличными данными справочной литературы.

4. Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1) номер, название лабораторной работы и цель работы;

2) приборы и принадлежности для выполнения работы;

3) блок–схему установки и основные расчётные формулы;

4) результаты измерений и вычислений в форме таблицы, график функциональной зависимости f (1/T), формулы и вычисления погрешностей измерений;

5) выводы по результатам работы.

5. Контрольные вопросы

1. Что такое фазовый переход? Назовите виды фазовых переходов.

2. Какая величина называется скрытой теплотой перехода?

3. Запишите и объясните уравнение Ван-дер-Ваальса.

4. Изобразите на PV диаграмме изотермы Ван-дер-Ваальса и реального вещества для нескольких значений температуры. Что такое критическая температура?

5. Расскажите о цикле Карно. Запишите формулу КПД цикла Карно.

6. Выведите уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Поясните физический смысл этого уравнения.

7. Выведите основную расчетную формулу, используемую в данной работе.

8. В чем заключается метод определения теплоты парообразования воды с использованием экспериментальной зависимости Pп (T)?

9. Для чего ампулу с исследуемым веществом помещают в термостат?

10. Какие основные источники ошибок данного метода измерений?

Список литературы

  1.  Савельев И.В. Курс физики: Учеб.: В 3-х т. Т.1:Механика. Молекулярная физика. – М.: Наука, Гл.ред.физ.-мат.лит.,1989,   С.308–325.
  2.  Кикоин И.К., Кикоин А.К. Молекулярная физика. – М.: Наука, 1976, С.216–233.
  3.  Сивухин Д.В. Курс общей физики. Учеб. пособие: Для вузов. В 5 т. T.2. 4-е изд., стереот. – М.: Физматлит., Изд-во МФТИ, 2003, С.387–403, 457–473.

PAGE  3

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

71079. ДИЛАТОМЕТРИЧНИЙ МЕТОД ДОСЛІДЖЕННЯ ЯК МЕТОД ВИВЧЕННЯ ФАЗОВИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ І ДЕФЕКТІВ У МЕТАЛАХ І СПЛАВАХ 265 KB
  В твердих тілах і рідинах теплове розширення пов’язано з несиметричністю (ангармонізмом) теплових коливань атомів. Завдяки цьому міжатомні відстані з підвищенням температури зазвичай збільшуються. Прості співвідношення (1)-(3) є справедливими для металів і сплавів в температурних інтервалах, в яких відсутні фазові перетворення 1-го роду...
71080. Социально-психологический климат в семье 235 KB
  Интегрированные и дезинтегрированные семьи различаются по степени включенности членов семьи в семейную группу по их духовной и эмоциональной спаянности по степени их сплоченности. В интегрированных семьях каждый член семьи идентифицируется с семейной группой рассматривая себя в качестве ее обязательного и полноправного...
71081. Причины и мотивы разводов. Роль разводов, статистик разводов 34.28 KB
  От развода следует отличать признание брака недействительным в судебном порядке и прекращение брака ввиду кончины одного из супругов. Католическая церковь отрицает саму возможность расторжения брака до смерти одного из супругов; в православии допускался развод вследствие тяжелого заболевания одного из супругов бесплодия...
71082. Влияние семьи на развитие ребенка. Семья как фактор психического развития ребенка 65.42 KB
  Появление в семье ребенка всегда радость. Новый член семьи обогащает семейные отношения, задает новые цели развития личности своих родителей. Меняется структура общения, меняется содержание ролей мужа и жены, появляются новые роли – роли матери и отца. Огромное значение имеет и обратное воздействие, то есть – влияние семьи на развитие ребенка.
71083. Цели и задачи обучения информатике в школе. Общие и конкретные цели обучения основам информатики в школе 81 KB
  Общие цели обучения информатике определяются с учетом особенностей информатики как науки ее роли и места в системе наук в жизни современного общества. Образовательная и развивающая цель обучения информатике в школе дать каждому школьнику начальные фундаментальные знания основ науки информатики включая представления...
71084. Компетентностный подход к формированию целей образования 34.5 KB
  Компетенция совокупность взаимосвязанных качеств личности знаний умений навыков способов деятельности задаваемых по отношению к определенному кругу предметов и процессов необходимых для качественной продуктивной деятельности по отношению к ним. Компетентность владение обладание человеком соответствующих...
71085. Формирование концепции содержания непрерывного курса информатики для средней школы 36 KB
  Отличительными особенностями этой новой структуры является с одной стороны омоложение и снижение содержания обучения на самое младшее звено начальную школу а с другой вычисление так называемого базового содержания школьного образования в области информатики.
71086. Варочное оборудование 53.5 KB
  Режим 3 котлы типа КЭ доведение содержимого варочного сосуда до кипения на полной мощности затем автоматическое переключение на 1 6 часть мощности а в случае снижения давления в пароводяной рубашке до нижнего заданного предела переключение на 1 2 мощности нагрева. В настоящее время на предприятиях...