Контрольные вопросы

1. Что такое поверхностная энергия жидкости?

2. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения? В каких единицах он измеряется?

3. Когда показания манометра оказываются более точными: при быстром или при медленном образовании пузырьков и почему?

4. Если пропускать несколько пузырьков в секунду, манометр показывает практически постоянное давление. Почему бы не использовать это давление для расчета ?

5. Почему следует измерять именно максимальное давление?

6. Почему погружение иглы уменьшает влияние теплового расширения?

7. Почему пузырьки не должны касаться дна?

8. Можно ли, не зная глубины погружения иглы, определить , измеряя максимальное и минимальное давление при проталкивании пузырька?

9. Объясните (качественно), почему у всех веществ  уменьшается с ростом температуры?

10. Что называется критической температурой жидкости. Пользуясь полученными результатами, оцените критическую температуру анилина.

11. Позволяет ли проведенный эксперимент заметить нелинейность зависимости (Т)?

12. Может ли коэффициент поверхностного натяжения быть отрицательным?

13. Какие погрешности преобладают в эксперименте: случайные или систематические?

Лабораторная работа №2

ИЗУЧЕНИЕ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА

(УРАВНЕНИЕ КЛАЙПЕРОНА-КЛАУЗИУСА)

Цель работы: Определить молярную теплоту парообразования воды по измерениям зависимости давления насыщенного пара от температуры жидкости.

Литература:

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.2. Термодинамика и молекулярная физика. – М.: Наука, 1990, гл. II, §§ 113, 114.

2. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. — М.: Наука, 1976, гл. VII, §§ 104,105.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 1., Механика. Молекулярная физика. – М.: Наука, 1982, § 126.

4. Лабораторные занятия по физике. /Под ред. Гольдина Л.Л. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. – 704 с.

5. Введение в технику эксперимента/ Составитель: Беленко И.А. –   БелГУ, 2004. – 124 с.

Приборы, оборудование и их характеристики:

1. Экспериментальный прибор для исследования зависимости давления насыщенного пара от температуры исследуемой жидкости (вода);

2. Термостат TW – 2.03;

3. Отсчётный микроскоп.

Теория метода

Вещества могут находиться в разных состояниях, которые называются фазовыми состояниями или просто фазами. Различными фазами являются разные агрегатные состояния вещества – твердое, жидкое, газообразное. Возможны некоторые модификации твердого состояния, отличающиеся кристаллической структурой. Это тоже разные фазы. Например, углерод имеет три твердых фазы – уголь, графит и алмаз, отличающиеся структурой кристаллов.

Переход вещества из одной фазы в другую называется фазовым переходом. Различают два типа фазовых переходов – фазовые переходы первого и второго рода.

Фазовым переходом I рода называется фазовый переход, сопровождающийся скачкообразным изменением внутренней энергии и плотности. Фазовые переходы первого рода всегда происходят с выделением или поглощением теплоты, называемой теплотой (скрытой теплотой) фазового перехода. Примерами таких фазовых переходов служат переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое (испарение, плавление, сублимация).

Фазовым переходом II рода называется фазовый переход, при котором отсутствует скачкообразное изменение внутренней энергии и плотности. Теплота фазового перехода второго рода равна нулю. Фазовый переход второго рода сопровождается скачкообразным изменением теплоемкости и термодинамических коэффициентов расширяемости и сжимаемости. Примерами фазовых переходов второго рода являются переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние, переход при некоторой температуре ферромагнитного вещества в парамагнитное (точка Кюри) и т. д.

Испарением называется переход вещества из жидкого в газообразное состояние. Оно происходит на свободной поверхности жидкости. При испарении с поверхности вылетают молекулы, образуя над ней пар. Для выхода из жидкости молекулы должны преодолеть силы молекулярного сцепления. Кроме того, при испарении совершается работа против внешнего давления Р, поскольку объем пара больше объёма жидкости. Не все молекулы жидкости способны совершить эту работу, а только те из них, которые обладают очень большой кинетической энергией. Поэтому переход части молекул в пар приводит к обеднению жидкости быстрыми молекулами, т. е. к ее охлаждению. Чтобы испарение проходило без изменения температуры, к жидкости нужно подводить тепло. Количество теплоты, необходимое для изотермического испарения одного моля жидкости при внешнем давлении, равном упругости (давлению) ее насыщенных паров, называется молярной теплотой испарения (парообразования).

Теплоту парообразования жидкостей можно измерить непосредственно при помощи калориметра. Такой метод, однако, не позволяет получить точных результатов из-за неконтролируемых потерь тепла, которые трудно сделать малыми. В настоящей работе для определения теплоты испарения применен косвенный метод, основанный на формуле Клайперона – Клаузиуса:

. (1)

Здесь p – давление насыщенного пара жидкости при температуре Т, Т – температура жидкости и пара в градусах Кельвина, L – теплота испарения жидкости, V₂ – объем пара, V₁ – объем жидкости. Найдя dp/dT, Т, V₂ и V₁ можно определить L путем расчета. Величины L, V₂ и V₁ в формуле (1) должны относиться к одному и тому же количеству жидкости; мы будем относить их к одному молю.

В таблице 1 для воды приведены: температура, при которой давление насыщенных паров равно атмосферному, молярные значения V₂ и V₁, входящие в (1), а также константы а и b в уравнении Ван-дер-Ваальса.

Таблица 1

Вещество	Ткип, К	V1, м3/моль	V2, м3/моль	b, м3/моль	a, Па·м6/моль2	, Па
Вода	373	18·10-6	3,1·10-2	26·10-6	0,4	4,2·102

Из таблицы 1 видно, что V₁ не превосходит 0,5% от V₂. При нашей точности опытов величиной V₁ в (1) можно пренебречь.

Обратимся теперь к V₂, которое в дальнейшем будем обозначать просто V. Объем V связан с давлением и температурой уравнением Ван-дер-Ваальса:

. (2)

Из рассмотрения таблицы 1 следует, что b одного порядка с V₁, следовательно в уравнении Ван-дер-Ваальса величиной b можно пренебречь. Пренебрежение членом a/V² по сравнению с р вносит ошибку менее 3%. При давлении ниже атмосферного ошибки становятся еще меньше. Таким образом, при давлениях ниже атмосферного уравнение Ван-дер-Ваальса для насыщенного пара мало отличается от уравнения Менделеева–Клайперона. Положим поэтому

V = RT/p. (3)