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

50 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

76418. Типовые сигналы 139.87 KB
  Дельтафункция является четной функцией между функцией Хэвисайда и Дирака существует связь выраженная соотношением: или На практике считается что на вход объекта подана функция функция если время действия прямоугольно го импульса намного меньше времени переходного процесса. Сдвинутые элементарные функции К этим функциям относятся функции Хевисайда и Дирака с запаздыванием т. и Рисунок 4 при этом Все...
76419. Типовые динамические звенья 34.53 KB
  Преобразуемая физическая величина поступающая на вход динамического звена называется входной х а преобразованная величина получаемая на выходе звена выходнойy. Статической характеристикой звена называется зависимость между его выходной и входной величинами в установившемся состоянии. Динамические свойства звена могут быть определены на основании дифференциального уравнения описывающего поведение звена в переходном режиме. Решение дифференциального уравнения дает возможность получить переходную или иначе временную характеристику...
76420. Минимально фазовые и не минимально фазовые звенья 21.74 KB
  Если в передаточной функции произвести замену то получаем называемое частотной характеристикой звена частотный коэффициент передачи звена. Общая фаза выходного сигнала звена будет складываться из частичных фаз определяемых каждым двучленом числителя и знаменателя. Если хотя бы один из корней звена расположен справа то такое звено не минимально фазовое звено.
76421. Интегрирующие и дифференцирующие динамические звенья и их характеристики 24.88 KB
  В этом случае для установившегося режима будет справедливым равенство откуда и произошло название этого типа звеньев. Такое звено является идеализацией реальных интегрирующих звеньев. Примерами идеальных интегрирующих звеньев могут служить операционный усилитель в режиме интегрирования гидравлический двигатель емкость и др. Дифференцирующие звенья В звеньях дифференцирующего типа линейной зависимостью связаны в установившемся режиме выходная величина и производная входной откуда и произошло название этого типа звеньев.
76422. Апериодическое звено 39.34 KB
  Временные характеристики Переходная функция: Весовая функция: Передаточная функция Передаточная функция апериодического звена 1го порядка получается путем применения к дифференциальному уравнению свойства дифференцирования оригинала преобразования Лапласа: . В целом считается что почти любой объект управления в первом приближении очень грубо можно описать апериодическим звеном 1го порядка.[1] Апериодическое звено второго порядка Уравнение апериодического звена 2го порядка имеет вид Передаточная функция апериодического звена 2го...
76423. Форсирующее звено первого порядка 30.34 KB
  Передаточную функцию форсирующего звена можно представить как сумму передаточных функций идеального дифференцирующего и пропорционального звена. Уравнение звена. ЛАЧХ и ЛФЧХ Асимптотическая ЛАЧХ форсирующего звена состоит из двух прямых. Пример ЛАЧХ и ЛФЧХ форсирующего звена для.
76424. Колебательное звено 120.05 KB
  Колебания будут затухать с течением времени т. В автоматических системах различают свободные и вынужденные колебания. Вынужденные колебания выходной величины звена возникают из-за колебаний воздействия например при синусоидальном воздействии. Колебания переходной функции колебательного звена это свободные колебания: воздействие на звено не периодическое а колебания возникают из-за собственных колебательных свойств звена.
76425. Запаздывающее звено и его свойства 45.78 KB
  Переходную функцию звена получим решив уравнение. Переходная характеристика звена приведена на рисунке. Переходная характеристика запаздывающего звена Импульсная переходная функция запаздывающего звена имеет вид: Импульсная переходная характеристика запаздывающего звена представлена...
76426. Виды соединений звеньев САУ 50.49 KB
  Соединение звеньев в САУ может выполняться в 3-х основных формах: последовательная, параллельная и соединение с обратной связью. Последовательное соединение звеньев (a)