Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Аннотация

Введение

1. Абсорбция

2. Показатель преломления

3. Закон Снелла (Снеллиуса) преломления света

4. Обработка данных

5. Описание кюветы

6. Аналитические расчеты

7. Описание установки

8. Описание эксперимента

Выводы

Список литературы



Аннотация

В данной работе представлена разработка методики измерения концентрации раствора (LiBr) по показателю преломления. Приведены расчеты чувствительности методики от различных параметров конструкции создаваемого прибора. Создан макет прибора и проведена его градуировка.



Введение

Одним из направлений проведения исследований лаборатории процессов переноса Института теплофизики СО РАН является исследование процессов совместного тепло и массопереноса при абсорбции (поглощении газов жидкостью), и в частности, применительно к тепловым машинам: холодильникам и тепловым трансформаторам. В этих тепловых машинах в качестве абсорбента используются водный раствор бромистого лития (LiBr) или аммиака. Одним из показателей этого процесса, характеризующим массоперенос, является изменение концентрации раствора. Поэтому оперативные измерения концентрации с высокой точностью является актуальной задачей. На сегодняшний день измерение концентрации раствора (LiBr) осуществляется с помощью отбора части раствора в заданной точке процесса и измерением его плотности и температуры. По этим измеренным параметрам с помощью таблиц, приведенных в [1] определяется концентрация пробы.

В ряду способов косвенного определения концентрации раствора может быть и определение ее по показателю преломления, который, как и плотность зависит от температуры и концентрации.

Данная работа является продолжением работы [1]

Целью данной работы являлось создание методики и прибора для измерения концентрации раствора (LiBr) по показателю преломления.



1. Абсорбция

Абсорбция (absorptio < absorbere - "поглощать") - это явление поглощения сорбата всем объёмом сорбента. Абсорбция - частный случай сорбции. абсорбция преломление концентрация массоперенос

Абсорбция, как правило, означает поглощение газов в объёме жидкости или реже твёрдого тела. На практике абсорбции подвергают не отдельные газы, а газовые смеси, составные части которых поглощаются жидкостью. Эти составные части смеси называют абсорбируемыми компонентами (абсорбат), а непоглощаемые части - инертным газом.

2. Показатель преломления

Преломление (рефрамкция) - явление изменения пути следования светового луча (или других волн), возникающее на границе раздела двух прозрачных (проницаемых для этих волн) сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами. Преломление свойственно для многих видов излучения различной природы, например, электромагнитных и звуковых волн. Преломление практически любых волн подчиняется закону Снеллиуса.

3. Закон Снелла (Снеллиуса) преломления света

Закон Снелла (Снеллиуса) преломления света описывает преломление света на границе двух сред (Рис.1).

Угол падения света на поверхность связан с углом преломления соотношением

n₁·sinб₁= n₂·sinб₂

Здесь:

n₁ - показатель преломления среды, из которой свет падает на границу раздела;

б₁ - угол падения света - угол между падающим на поверхность лучом и нормалью к поверхности;

n₂ - показатель преломления среды, в которую свет попадает, пройдя границу раздела;

б₂ - угол преломления света - угол между прошедшим через поверхность лучом и нормалью к поверхности.

Рис. 1

Волновая теория света устанавливает простую связь абсолютных показателей преломления со скоростями распространения V₁ и V₂ световых волн в двух средах 1 и 2

.

Если в качестве среды 1 взять вакуум (V₁=C, n₁=1), то

.



Опуская индексы, имеем

.

Абсолютный показатель преломления показывает во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости света в данном веществе.

Влияние температуры на показатель преломления определяется двумя факторами: изменением количества частиц жидкости в единице объема и зависимостью поляризуемости молекул от температуры. Второй фактор становится существенным лишь при очень большом изменении температуры.

Температурный коэффициент показателя преломления пропорционален температурному коэффициенту плотности. Поскольку все жидкости при нагревании расширяются, то их показатели преломления уменьшаются при повышении температуры. Температурный коэффициент зависит от величины температуры жидкости, но в небольших температурных интервалах может считаться постоянным.

Для подавляющего большинства жидкостей температурный коэффициент лежит в узких пределах от -0,0004 до -0,0006 1/град. Важным исключением является вода и разбавленные водные растворы (-0,0001), глицерин (-0,0002), гликоль (-0,00026).

Линейная экстраполяция показателя преломления допустима на небольшие разности температур (10 - 20°С). Точное определение показателя преломления в широких температурных интервалах производится по эмпирическим формулам вида:

n^t=n⁰+at+bt²+… [2]

Главную роль в оптической жизни атома играет электрон. При этом следует иметь в виду, что речь идёт об электронах, частоты, движения которых имеют тот же порядок величины, что и частота световой волны. Мы будем называть их оптическими электронами. Показатель преломления зависит от частоты щ внешнего поля и от числа атомов N₀ в единице объёма.

Если принять во внимание, что в веществе может быть несколько сортов зарядов, способных к колебаниям с различными зарядами e_i и массами m_i, то формула заменится выражениям:

где, m_i и e_i массы и заряды отдельных сортов частиц, соответствующих различным частотам щ_0i. Оптическое поведение молекул каждой компоненты остается тем же независимо от того, взята ли данная компонента отдельно или в смеси с другими. Ещё большее значение имеет правило, согласно которому рефракцию сложного химического соединения можно вычислить, складывая рефракции элементов его составляющих, при этом надо учитывать наличие кратных химических связей и других особенностей строения молекулы, от которых зависят отдельные слагаемые, входящие в сумму, определяющую молекулярную рефракцию[3].

4. Обработка данных

Система, которая позволит определить показатели преломления жидкостей, представлена на рис.2. В кювету наливается исследуемая жидкость, а затем помещается призма. Рассмотрим распространение лучей на рис.2.



Рис.2. Определение показателя преломления жидкости

Для данной системы:

Рассмотримподробнее распространение лучей в системе жидкость - стекло - воздух (рис. 3.) и выведем формулу для расчета показателя преломления жидкости:

Рис. 3

и



где - угол преломления (рефракции) всей системы, состоящей из кюветы, жидкости и призмы. Тогда

Формула для суммы аргументов:

(1)

Подставляем наши значения в формулу (1):

Формула для вычисления показателя преломления жидкости:

(1)

Так как мы будем использовать призмы с известными параметрами ( и угол призмы ), то для определения показателей преломления жидкостей достаточно определить



5. Описание кюветы

Для измерения показателя преломления за основу установки взята кювета, созданная на основе данных, полученных в работе [1]. Кювета состоит из герметичного корпуса с отверстиями для ввода-вывода раствора и призмы, заключенной внутри. В кювету вводится термопара для измерения температуры раствора.

На рис. 4 представлено схематичное изображение кюветы. Проходя через кювету луч раздваивается т.к. одна его часть проходит над призмой и испытывает только сдвиг, а вторая через призму и меняет свой угол выхода.

Рис. 4: а - вид сбоку; б - вид сверху; 1 - стеклянная призма; 2 - пространство, заполненное водным раствором (LiBr); 3 - термопара; 4,5- входное-выходное отверстие для подачи раствора.

6. Аналитические расчеты

Измерительный прибор должен обладать высокой чувствительностью. Для этой цели была аналитически исследована зависимость чувствительности от угла падения. Показателем чувствительности в нашем случае будет отношение изменения угла выхода к изменению коэффициента преломления, т. е. производная угла выхода по коэффициенту преломления.



Здесь:

б - угол падения;

г - угол выхода;

в - угол призмы;

n_с - показатель преломления стекла;

n_ж - показатель преломления раствора;

Рис.5. Зависимость угла выхода от угла падения

На рис.5 приведена зависимость выхода от угла падения. В точке -66⁰ происходит полное отражение. Из этого графика видно, что зависимость не совсем линейная. Для лучшего рассмотрения на рис.6 представлена зависимость разности между углом падения и углом выхода от угла падения. Разность между углом падения и углом выхода будем называть изломом угла. Зависимость излома луча от угла падения характеризует чувствительность методики.

Рис.6. Разности угла падения и угла выхода от угла падения

Рис.7. Зависимость чувствительности от угла падения

Чувствительность методики в виде производной угла выхода от показателя преломления в зависимости от угла падения приведена на рис.7. Из графика видно, что при отклонении угла падения на 20⁰ чувствительность меняется незначительно, а при отклонении на +65⁰ или-40⁰ увеличивается в два раза.



7. Описание установки

На рис.2 представлена схема установки. Луч, испускаемый источником света (лазерная указка с л=660 нм.), проходит через коллиматор, в котором находится пластинка с прорезью в виде креста. Дальше он отражается от двух поворотных зеркал, которые служат для регулировки угла падения на кювету и для придания установке компактности. Потом луч проходит через кювету. Изображение креста наблюдается WEB-камерой одновременно через призму и над ней. Поэтому мы получаем картинку на мониторе компьютера в виде двух крестов. За изменяющееся расстоянию между крестами отвечает изменяющийся показатель преломления (1). Положения призмы и объектива можно регулировать.

Рис. 2: 1 - источник света (лазерная указка); 2,4 - коллиматор; 3 - крест; 5,6 - поворотные зеркала расположенные под углом 45°; 7) кювета с исследуемым водным раствором (LiBr); 8 - термопара; 9 - объектив; 10 - Web-камера.



8. Описание эксперимента

Для проведения эксперимента было подготовлено четыре водных раствора (LiBr) с разными концентрациями, отличающимися друг от друга. Концентрации составили 56,22%, 55,65%, 55,18% и 54,66%. Каждый из этих растворов заливался в кювету и с помощью WEB-камеры изображение фиксировалось на компьютере. Затем раствор заменялся на следующий. Во время опытов с помощью термопары отслеживалась температура растворов находящихся в кювете. Изменяя положение камеры вокруг своей оси добивалось положение, когда положение креста на компьютерном снимке менялось только по горизонтали. Матрица WEB-камеры на которую проецировалось изображение имеет размер 1024x768. Было проведено две серии эксперимента.

Колебание температуры составило меньше 3^°. Так что ее влияние на изменение плотности раствора можно считать незначительным.

В первой серии опытов кювета располагалась так, чтобы угол падения луча был близок нулю, а расстояние между кюветой и объективом составило 15мм/

Во второй серии опытов увеличения чувствительности было решено повернуть призму на 33^° относительно первоначального положения, соответственно угол падения между лучом и оптической осью кюветы составил 33^°. И увеличили расстояние между кюветой и объективом до 42 мм. Поворот на больший угол приводил к значительному уменьшению интенсивности освещенности изображения.

Полученные изображения обеих серий приведены на рис.10.



Рис.10. Изображения обеих серий: a - первая серия опытов (падение луча 0^°); b - вторая серия опытов (падение луча 33^°).

Первичные результаты экспериментов приведены в табл.1

В первой серии чувствительность составила 0,040256 % на пиксель. Во второй серии чувствительность составила 0,028036 % на пиксель.

Таблица 1. Результаты опытов.

Концентрация, %	Температура, °С	Расстояние между крестами, пиксель	Изменение расстояния относительно наименьшего, пиксель
Первая серия
56,22	19,9252	378	0
55,65	20,11204	389	11
55,18	19,97859	402	24
54,67	20,05866	417	39
Вторая серия
56,22	19,9252	560	0
55,65	20,11204	577	17
55,18	20,03197	599	39
54,67	20,13873	616	56



Выводы

1. Исследованы зависимости отклонения отклонение угла выхода от угла падения, угол излома и чувствительность.

2. На основании этих исследований сконструирован макет прибора.

3. Проведена градуировка макета, при различных положениях кюветы.

Список литературы

1. Сапожник А.А. "Экспериментальные исследования показателя преломления водного раствора (LiBr) в зависимости от концентрации и температуры". Курсовая работа по молекулярному практикуму, НГУ ФФ 2009 г.

Размещено на Allbest.ru

...