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

51 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

64903. ПРАВОВА ПРИРОДА ПОДАТКОВИХ СПОРІВ В УКРАЇНІ 144 KB
  Дослідження податкових спорів має вагоме практичне значення. На практиці виникає багато труднощів повязаних із відсутністю науково обґрунтованих методологічних підходів до розвязання податкових спорів які становлять значну частину від загального обєму адміністративних справ.
64904. АВТОМАТИЗАЦІЯ КЕРУВАННЯ ПРОЦЕСОМ АЕРОЗОЛЬНОГО НАНОКАТАЛІЗУ В СИСТЕМАХ УТИЛІЗАЦІЇ ВІДХОДІВ ХЛОРОРГАНІЧНОГО СИНТЕЗУ 195 KB
  Актуальною задачею в звязку з цим є подальший розвиток наукових досліджень в області автоматизації процесів аерозольного нанокаталізу з застосуванням сучасних методів керування та програмнотехнічних засобів що дозволило б суттєво підвищити екологічну безпеку утилізації...
64905. Мультигармонічні плазмо-пучкові супергетеродинні лазери на вільних електронах 668 KB
  Серед можливих конструкцій супергетеродинних лазерів на вільних електронах які найбільш перспективні для практичної реалізації необхідно виділити двопотокові та плазмопучкові ЛВЕ. Незважаючи на те що саме плазмопучкова версія супергетеродинного ЛВЕ була запропонована першою основний розвиток...
64906. БАНКІВСЬКЕ КРЕДИТУВАННЯ ЕКСПОРТНОЇ ДІЯЛЬНОСТІ ПІДПРИЄМСТВ В УКРАЇНІ 258 KB
  У свою чергу умови кредитування є одним із чинників конкурентної боротьби окремих підприємств і держав у цілому на міжнародних ринках збуту оскільки кредит так само як ціна або якість продукції розширює можливості експортера щодо збуту а імпортера щодо придбання товарів та послуг.
64907. ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВИГОТОВЛЕННЯ ЗОВНІШНІХ НАПІВКРУГЛИХ ШЛІЦЬОВИХ КАНАВОК У ВАЛАХ ТА НАПРАВЛЯЮЧИХ 170 KB
  Для досягнення поставленої мети в роботі розвязуються такі задачі: провести аналіз конструкцій і технологій виготовлення шліцьових валів і направляючих з аналізом їх на технологічність щодо виготовлення ремонтопридатності й експлуатаційної надійності та довговічності...
64908. АДМІНІСТРАТИВНІ ПРОЦЕДУРИ ПРОХОДЖЕННЯ СЛУЖБИ В ОРГАНАХ ВНУТРІШНІХ СПРАВ 178 KB
  Становлення правової держави в Україні вимагає реального утвердження принципу верховенства права, зміцнення законності та правопорядку в країні, забезпечення прав і свобод громадян. Вирішення цього завдання, з одного боку, потребує посилення правоохоронної функції держави...
64909. АДМІНІСТРАТИВНО-ПРАВОВЕ РЕГУЛЮВАННЯ У СФЕРІ ЖИТЛОВО-КОМУНАЛЬНОГО ГОСПОДАРСТВА УКРАЇНИ В СУЧАСНИХ УМОВАХ 136 KB
  Розбудова правової держави в Україні та формування ринкових відносин потребують удосконалення роботи усіх державних органів в тому числі й тих що діють у сфері житловокомунального господарства ЖКГ. Наразі в Україні здійснюється велика робота щодо створення сучасної системи управління...
64910. Теоретико-методологічні засади адміністративно-територіальної організації України 452.5 KB
  Адміністративно-територіальний устрій безпосередньо впливає на результативність та ефективність державного управління територіальними системами. Зокрема це стосується обґрунтування класифікації адміністративно-територіальних структур за еволюційними формами поділ устрій та організація оскільки демократизація...
64911. СТРАТЕГІЇ ФОРМУВАННЯ ІМІДЖУ ПОЛІТИЧНОГО ЛІДЕРА: РЕГІОНАЛЬНИЙ ВИМІР 139 KB
  Дослідження проблеми формування іміджу політичного лідера регіонального рівня складає одне із найбільш актуальних та важливих завдань сучасної політичної теорії та практики. У сучасних умовах регіональне політичне лідерство стає одним із головних чинників політичного розвитку справжньої демократизації політичних відносин.