Контрольные вопросы

1. Как называется кривая зависимости p_s = f(t_s)? Изобразите её условно в координатах р,Т полностью с указанием других линий фазовых переходов. Перечислите линии фазовых переходов, охарактеризуйте физические свойства веществ в различных областях фазовой диаграммы.

2. Изобразите пограничную кривую реального газа в координатах p,t, p,v и T,v . Как называется диаграмма p,t?

3. Какие приборы и оборудование используются в лабораторной установке для определения зависимости p_s = f(t_s)? Объясните их назначение и принцип действия.

4. Сколько независимых параметров необходимо задать для указания состояния насыщенного пара либо кипящей жидкости? Какими параметрами чаще всего задаётся это состояние?

5. Каким фазовым состояниям вещества соответствуют правая и левая ветви пограничной кривой? Как изменяются термодинамические свойства веществ в этих состояниях с ростом температуры и давления?

6. Как называется процесс непосредственного превращения вещества из твердого состояния в парообразное состояние? Где он встречается на практике?

7. Изобразите пограничную кривую жидкость-пар вещества в координатах T,s и h,s. Охарактеризуйте особенности его состояния в характерных точках на этой кривой.

8. Определите понятие «нормальная температура кипения». Как подразделяются вещества в зависимости от их значения такой температуры?

9. Какое практическое значение имеет зависимость давления насыщенного пара от температуры?

10. Какие явления имеют место при изобарном переходе вещества из твердого состояния в парообразное, если р_кр> р_зад  р_тр?

11. Какое явление имеет место при изобарном переходе вещества из твердого состояния в парообразное, если р_зад  р_тр?

12. Как вещество, находящееся в твердом состоянии при р р_тр, превратить в пар с минимальным числом фазовых переходов?

13. Изобразите в координатах p,v и T,s изотермический процесс превращения жидкости в пар. Какие фазовые превращения при этом наблюдаются?

14. Изобразите в координатах p,v и T,s изобарный процесс превращения жидкости в пар. Какие состояния при этом наблюдаются?

16. Какой процесс происходит в баллоне с ацетоном после окончания опытов. Ваш ответ изобразите на диаграммах p,T и p,v.

Лабораторная работа № 4 посвящена определению теплоты парообразования воды. При её выполнении надо знать следующее:

Теплотой парообразования называется количество теплоты, необходимое для превращения одного килограмма кипящей жидкости в насыщенный пар при постоянном давлении. Подвод при этом теплоты не повышает температуру, а вызывает дисгрегацию, то есть увеличение расстояния между молекулами при преобразовании жидкости в пар. Определив массу пара (конденсата) и количество теплоты, затраченное на его образование, рассчитывают теплоту парообразования воды в условиях опыта.

Для определения массы пара (конденсата), образующегося за время опыта, достаточно взвесить змеевик со сборником конденсата в начале и конце опыта. Для определения количества подведенной теплоты необходимо измерить температуру воды в калориметре также в начале и конце опыта. Тогда значение теплоты парообразования r рассчитывается из уравнения теплового баланса

(ср, в·Мв+W)·(t2–t1) = Мк·r+Мк·ср, в(ts–t2),

(6.7)

где с_р,в = 4,1868 кДж/(кг·К) − удельная изобарная теплоёмкость воды;

М_в − масса воды, находящейся в калориметре (обычно 5 кг);

W − водяной эквивалент калориметра, кДж/К.

t₁, t₂ − начальная и конечная температура воды в калориметре, °С;

М_к = (М₂–М₁) − масса образовавшегося пара (конденсата) во время опыта, кг;

М₁, М₂ − масса змеевика в начале и конце опыта, кг;

t_s − температура насыщения (кипения) воды при давлении опыта, °С.

Водяной эквивалент калориметра − количество теплоты, необходимое для нагрева на 1 К его смачиваемых частей: корпуса, мешалки, змеевика со сборником конденсата и термометра. Он определен ранее и равен 5,4 кДж/К.

Температура насыщения и табличная теплота парообразования при давлении опыта определяются интерполяцией соответствующих величин из таблиц свойств насыщенных воды и водяного пара [3] в зависимости от атмосферного давления в момент проведения опыта.

Началом опыта является момент подключения змеевика-конденсатора к колбе-кипятильнику, в котором кипит вода, а концом − момент выравнивания температуры конденсата (змеевика) и температуры воды в калориметре. В этот момент температура воды в калориметре достигает максимальное значение.

В уравнении (6.7) левая часть − теплота, полученная водой и калориметром за время опыта. Первое слагаемое правой части − теплота, выделившаяся при конденсации М кг пара: (М_к·r), а второе − теплота, отданная конденсатом при его охлаждении от температуры конденсации (t_s), до температуры, установившейся в калориметре в конце опыта (t₂).

Процессы образования (1-2-3) и конденсации (3-2) пара, а также охлаждения конденсата до конечной температуры в опыте (2-К) представлены на диаграмме T,s (рис. 6.7). Площадь (c-2-3-d-с) соответствует теплоте парообразования r в условиях опыта; площадь (a-1-2-c-а) – теплоте, затрачиваемой на нагрев воды от начальной (комнатной) температуры до температуры кипения (насыщения) t_s; площадь (c-2-K-b-с) – теплоте, отдаваемой конденсатом при его охлаждении от температуры конденсации t_s до конечной температуры воды в калориметре t₂.

Рис. 6.7. Изображение процессов образования и конденсации пара

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка для определения теплоты парообразования воды (рис. 6.8) состоит из: электронагревателя 1 (электроплитки), кипятильника 2 (стеклянной колбы), паропровода 3 (соединительной трубки), конденсатора 4 (змеевика со сборником конденсата), калориметра 5 (ёмкости с двойными стенками, между которых находится изоляционный материал), мешалки с электрическим приводом 6, термометра 7, экрана 8, препятствующего передаче теплоты лучеиспускания от горячей плитки и колбы к наружной поверхности калориметра. В лабораторную установку также входят электронные весы, точность взвешивания которых 0,01 грамма.

Методика выполнения опыта

Убедившись, что змеевик со сборником конденсата пустой, взвешиваем его на электронных весах. Перед каждым взвешиванием надо протирать змеевик насухо ветошью.

Рис.6.8. Схема установки для определения теплоты парообразования воды

Помещаем змеевик в калориметр; плотно закрываем крышки калориметра и замеряем начальную температуру воды в калориметре с помощью термометра. Как отмечено ранее, термометр не следует полностью вынимать из калориметра, так как он установлен стационарно.

Включаем электронагреватель кипятильника (электроплитку). После достижения устойчивого кипения воды в кипятильнике соединяем его паропроводом со змеевиком-конденсатором и включаем электропривод мешалки;

После повышения температуры воды в калориметре на (3-5) °С отсоединяем змеевик-конденсатор от кипятильника, выключаем электрическую плитку и продолжаем непрерывно наблюдать за изменением этой температуры при работающей мешалке;

После окончания процесса повышения температуры воды в калориметре (определяется по показаниям термометра и изменению температуры змеевика-испарителя на ощупь), замеряем максимальную температуру воды и останавливаем мешалку. Взвешиваем змеевик-конденсатор и определяем атмосферное давление по имеющемуся в лаборатории барометру.

Измеряемые величины записываем в таблицу наблюдений (табл. 6.4).

Таблица 6.4

Измеренные в опыте величины

Атмосферное давление, ратм, мм рт. ст. или бар	Температура воды в калориметре, оС		Масса змеевика в опыте, кг
	в начале, tо	в конце, t1	в начале, Мо	в конце, М1

Рассчитываемые по измеренным в опыте параметрам величины записываем в таблицу 6.5

Таблица 6.5

Рассчитываемые в опыте величины

Водяной эквивалент калориметра W, кДж/кг	Температура кипения воды ts, oC	Повышение температуры воды в калориметре t, oC	Масса конденсата Мk, кг	Теплота парообразования r, кДж/кг