Контрольные вопросы

1. Дайте математическое и физическое определения понятиям «истинная и средняя удельные теплоёмкости вещества».

2. Значение какой теплоёмкости (истинной или средней) можно рассчитать на основании измеряемых в лабораторной работе величин?

3. Какие величины, какими приборами и с какой целью измеряются в данной лабораторной работе?

4. Определите понятие «нормальные условия». Что означает величина с размерностью нм³?

5. Дайте определение понятиям «функция состояния и функция процесса». Какой функцией является теплоёмкость?

6. В чем проявляется двойственность физической сущности теплоёмкости с точки зрения основных понятий и определений термодинамики?

7. Как соотносятся значения массовой, объемной и мольной теплоёмкостей? Каковы их размерности в системе СИ?

8. Чем отличаются понятия «теплоёмкость тела» и «удельная теплоёмкость вещества» и как они связаны?

9. Чему равны удельные теплоёмкости веществ в изотермическом и адиабатном (изоэнтропном) процессах?

10. Геометрический смысл истинной и средней теплоёмкостей в координатах T,s? Поясните два свойства диаграммы T,s?

11. Запишите соотношение, связывающее значения изобарной и изохорной теплоёмкостей идеального газа.

12. От скольких параметров зависят теплоёмкости идеального и реального газов? Перечислите эти параметры.

13. Запишите соотношения для расчёта изохорной и изобарной теплоёмкостей идеального газа по упрощенной молекулярно-кинетичекой теории.

14. Запишите соотношение, используемое для пересчёта измеряемого в опыте расхода воздуха в нм³.

15. Запишите уравнение для расчета теплоты процесса с использованием средних значений изобарной теплоёмкости идеального газа.

Лабораторная работа № 3 посвящена исследованию зависимости давления насыщенного пара от температуры. При выполнении этой работы надо четко уяснить следующее:

1. Температура кипения жидкости (температура парообразования) зависит от давления, под которым находится жидкость. При повышении давления эта температура увеличивается.

2. Исследуемая зависимость графически изображается кривой, начинающейся в тройной точке и оканчивающейся в критической точке. Эта кривая называется кривой парообразования (иногда кривой упругости). В других координатах (p,v; T,s; h,s и др.) кривая парообразования расслаивается, образуя две ветви: насыщенной (кипящей) жидкости и насыщенного (сухого) пара, которые плавно сопрягаются в критической точке. Эти ветви часто называют левой и правой пограничными кривыми соответственно.

Критическая точка – особая точка на термодинамической поверхности веществ: при давлении, превышающем критическое р_к, обычный фазовый переход жидкость-пар (при р = idem и Т = idem с одновременным сосуществованием двух фаз) не наблюдается, а имеет место перманентный (непрерывный) переход идкого вещества в газообразное состояние. Соответственно при изотермическом сжатии газа при Т > Т_кр вещество остается в гомогенном состоянии без расслоения на жидкость и пар. Состояние вещества при Т > Т_кр и v < v_кр называется сильно сжатым газом или флюидом. Политропным процессом расширения с показателем п >1 флюид можно непрерывно превратить в жидкость. Пар это такое газообразное состояние вещества, которое можно изотермическим сжатием превратить в жидкость. Газ изотермическим сжатием превращается в флюид

Снизу кривая упругости ограничена тройной точкой Т_тр (рис. 6.4). Здесь в термодинамическом равновесии находятся три фазы (твердая, жидкая и парообразная). Из этой точки выходят три кривые: парообразования, затвердевания (плавления) и сублимации. В тройной точке значения температуры и давления на кривых парообразования и затвердевания являются минимальными, а на кривой сублимации − максимальными.

Рис. 6.4. Фазовая диаграмма вещества

кривые: парообразования 1; затвердевания (плавления) 2;

сублимации (возгонки) 3;

состояния вещества: твердое Т; жидкое Ж; парообразное П;

точки: Т_тр– тройная; К – критическая

При давлениях, меньших давления в тройной точке р_тр, возможен изобарно-изотермический процесс фазового перехода вещества из твердого (кристаллического) в парообразное состояние. Этот процесс называется сублимацией или возгонкой. В интервале давлений от р_тр до р_кр при изобарном процессе перехода вещества из твёрдого в парообразное состояние имеют место два фазовых перехода. Вначале происходит плавление: переход из твердого состояния в жидкое, а затем − парообразование: превращение из жидкого в парообразное состояние. При р>р_кр при этом условии наблюдается один фазовый переход − плавление: при дальнейшем изобарном подводе теплоты происходит перманентное превращение жидкости в газообразное состояние.

Диаграмма р,Т называется фазовой диаграммой. Любая точка на этой диаграмме вне линий фазовых переходов соответствует одному из трех фазовых состояний вещества − твердому, жидкому либо парообразному (газообразному). Точки на линиях фазовых переходов (кривые 1, 2, 3) характеризуют состояния сосуществующих фаз (жидкости и пара, твердого тела и жидкости (флюида), твердого тела и пара, соответственно).

3. Важнейшей характеристикой веществ как рабочих тел энергетических и холодильных установок является так называемая температура нормального кипения (t_н.к.). Это температура кипения (парообразования) вещества при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст. или 1,01325 бар). В зависимости от значений t_н.к различают высококипящие (t_н.к > 0 °С) и низкокипящие (t_н.к < 0 °С) вещества.

Низкокипящие вещества (аммиак, фреоны) используются в качестве рабочих тел холодильных установок − хладагентов, а высококипящие (вода, ртуть) − в качестве рабочих тел энергетических установок. В зависимости от температуры, которую необходимо поддерживать в охлаждаемом помещении (рефрижераторном трюме) выбирают хладагент из условия, чтобы фактическое давление кипения хладагента при температуре в трюме было несколько выше атмосферного, чтобы исключить подсос воздуха в систему хладагента холодильной машины. На рис. 6.5 в качестве иллюстрации совместно условно показаны кривые парообразования ряда хладагентов.

Рис. 6.5. Условное относительное положение кривых парообразования

хладагентов и их нормальные температуры кипения:

1 − R22; 2 − NH₃; 3 − R12

Описание лабораторной установки

В установку (рис. 6.6) входят:

– термостат 1, заполненный термостатирующей жидкостью (водой), служащий для нагрева исследуемого вещества – ацетона, находящегося в баллоне 4;

– мешалка 2 для выравнивания температуры воды по объёму термостата;

– термометр 3, измеряющий температуру воды и, следовательно, ацетона;

– баллон 4 с ацетоном, соединенный капилляром с U-образным мановакуумметром 5.

Рис.6.6. Схема установки для исследования зависимости температуры кипения (насыщения) низкокипящих веществ от давления

Методика выполнения опытов:

– после ознакомления с лабораторной установкой определяем положение менисков рабочей жидкости (воды) в правом и левом коленах мановакуумметра 5 и измеряем начальную температуру воды в калориметре термометром 3 (термометр не вынимать из гнезда!);

– включаем установку (нагреватель и мешалку) и через каждые (3-4) °С определяем и записываем в табл. 6.3, положение менисков жидкости в правом и левом коленах мановакуумметра;

Возможен вариант, когда давление исследуемого пара в баллоне 4 ниже атмосферного (мениск жидкости в колене мановакуумметра, соединенном с баллоном 4, выше, чем в колене, соединенном с атмосферой). Поэтому при заполнении таблицы измерений необходимо в графе примечание записывать, какое давление показывает мановакуумметр.

При выполнении лабораторной работы надо также учитывать, что шкала мановакуумметра имеет «0» в средней части, то есть показания левого колена, соединённого с баллоном 4, ниже «0» будут отрицательными, а также то, что атмосферное давление измеряется барометром в мм рт. ст., а мановакуумметр заправлен водой. Поэтому для расчета абсолютного давления насыщения р_s, показания мановакуумметра надо делить на 13,6 (1 мм рт. ст. = 13,6 мм вод. ст.)

Таблица 6.3

Измеренные и рассчитанные величины

Номер опыта	Температура воды в термостате, ts	Показания мановакуумметра, мм вод. ст.		Атмосферное давление, ратм, мм рт. ст.	Давление насыщенного пара		Примечание
		правое колено	левое колено		мм рт. ст.	бар
1
2
3
4
5

После расчёта значений р_s необходимо построить график зависимости р_s = ƒ(t_s). Поскольку в лабораторной работе исследуется малый участок кривой парообразования, начальная точка координат должна соответствовать минимальной температуре (ось абсцисс) и минимальному давлению (ось ординат). Через полученные опытные точки проводим усредняющую кривую с учетом погрешности измерения температуры и давления в опыте.