Определение теплоты парообразования воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение теплоты парообразования воды

экспериментальный установка парообразование вода

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 мх вещества, мх =, где - число молей; , m - масса, м - 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 мq, 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 P - V 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 Т_кр, 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 P - V 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 дА равна площади этого цикла на P - V 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.

2.Экспериментальная часть

2.1 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 P_п, следовательно:

P_п = P₀ - P. (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.

2.2 Требования по технике безопасности

Перед началом выполнения лабораторной работы, внимательно ознакомьтесь с описанием экспериментальной установки.

Все электрические приборы, используемые, в экспериментальной установке должны быть обязательно заземлены.

Запрещается класть какие-либо посторонние предметы на приборы экспериментальной установки.

Запрещается прикасаться к оголённым участкам электрооборудования, предварительно их не обесточив. При обнаружении таковых - обратиться к преподавателю.

По окончании работы обесточьте приборы, приведите в порядок рабочее место.

2.3 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; a = 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

2.4 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 P_п = f (T), которая соответствует фазовому переходу между жидкостью и паром.

3. Вычислить значения 1/Т и ln P_п и построить график зависимости: ln P_п = f (1/T). Определить угловой коэффициент K_б графика.

4. Используя найденный угловой коэффициент K_б, определить молярную теплоту парообразования воды м q по формуле м q = K_б R.

5. Вычислить удельную теплоту парообразования воды q, учитывая, что молярная масса воды м=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.

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.

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 P - V 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 P_п (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.

Размещено на Allbest.ru