Методички по молек физике 1 курс - Преподаватели 1-го курса / ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЩЕСТВА

Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского

Кафедра экспериментальной физики

Лабораторная работа № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ

ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЩЕСТВА

Симферополь 2002

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ

ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЩЕСТВА

ОБОРУДОВАНИЕ: ампула с эфиром, прибор Авенариуса, автотрансформатор, термопара, гальванометр, градуировочный график.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РАБОТ

И деальным газом называется совокупность невзаимодействующих материальных точек. Состояние такой идеализированной системы описывается уравнением Менделеева-Клапейрона. В реальных газах, однако, действуют межмолекулярные силы электрического характера. При малом расстоянии между двумя молекулами между ними действуют силы отталкивания. Эти силы определяют "размер" молекул газа, то есть расстояние, ближе которого молекулы сильно отталкиваются друг от друга. По мере увеличения расстояния между двумя молекулами отталкивание уменьшается и затем меняет свой знак, превращаясь в силу притяжения. При дальнейшем удалении молекул друг от друга силы притяжения стремятся к нулю. Взаимодействие между молекулами приводит к тому, что реальные газы при соответствующих температурах и давлениях переходят в жидкое состояние.

На рис. 1 приведены опытные изотермы, полученные сжатием реального газа при постоянной температуре Т=const (T₁<T₂<T₃<T₄). Если сжатие газа проводится при достаточно низкой температуре, участок ев на изотерме Т₁, то давление газа не возрастает. В точке в газ становится насыщенным паром, его дальнейшее сжатие (участок ва) приводит не к повышению давления, а к превращению насыщенного пара в жидкость. Таким образом, точки изотермы, лежащие на участке между точками a и в, соответствуют двухфазной системе, состоящей из жидкости и ее насыщенного пара, находящихся в равновесии. В точке а весь пар сжижается, система становится однофазной. Дальнейшее сжатие сжиженного газа, участок аf изотермы, сопровождается резким ростом давления.

При определенных условиях (газ без примесей, медленное сжатие) удается получить состояние в-d , называемые перенасыщенным паром. При аналогичных условиях расширения разжиженного газа удается получить состояние а-с, называемые перегретой жидкостью. Состояния перенасыщенного пара и перегретой жидкости недолговечны (метастабильны). Из них система быстро возвращается на участок а-в.

По мере увеличения температуры горизонтальный участок изотерм, соответствующий конденсации насыщенного пара, уменьшается и при некоторой температуре Т_кр (Т₃ на рис.1) область перехода сжимается в одну точку К. Состояние газа в точке К называется критическим состоянием вещества, а соответствующие значения температуры, давления и объема называются критическими. При приближении к критической точке исчезает различие между жидкостью и ее насыщенным паром.

Если T>T_кр, то никакое сжатие газа не переводит его в жидкое состояние.

Описание прибора для наблюдения критического состояния вещества и измерение критической температуры.

В настоящей работе критическая температура вещества (этилового эфира) определяется по исчезновению и появлению видимой границы жидкость-пар. Запаянная ампула с эфиром 2 помещена внутри нагревателя 1, ток для нагревателя подается от сети через автотрансформатор. Температура внутри нагревателя измеряется термопарой 3. В передней и задней стенках нагревателя имеются застекленные окна: переднее для наблюдения заднее - для освещения. Нагреватель находится внутри толстостенного кожуха с асбестовой изоляцией. Термо ЭДС фиксируется милливольтметром 4. Градуировочная таблица 5 служит для перевода термо ЭДС в температуру.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Проверить наличие всех частей установки. Ампулу из нагревателя не вынимать! Включить подсвет. Подключить термопару к гальванометру, подать ток в нагреватель.

ПОСЛЕ НАЧАЛА ОПЫТА НЕ РАЗРЕШАЕТСЯ РАСКРЫВАТЬ КОЖУХ И ПРОИЗВОДИТЬ ВНУТРИ ЕГО КАКИЕ-ЛИБО ИСПРАВЛЕНИЯ.

По мере нагревания наблюдать за показаниями гальванометра, включенного в цепь термопары, и по градуировочному графику судить о температуре внутри нагревателя. Начиная с 160˚С следить за видом мениска в ампуле.

Определить температуру исчезновения мениска Т₁. Выключить автотрансформатор. Наблюдать за явлениями, происходящими в ампуле. Определить температуру Т₂ появления мениска. Вычислить среднее значение:

(1)

Опыт произвести три раза. Вычислить погрешность определения критической температуры.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Описать характер межмолекулярных сил в реальном газе.

2. Изобразить на PV – диаграмме изотермы реального газа и интерпретировать их характер.

3. Изобразить на PV –диаграмме и интерпретировать ход изотерм газа Ван-дер-Ваальса.

4. Как устроен прибор для наблюдения критического состояния вещества и измерения критической температуры?

5. Задача. Одной из моделей реального газа, предложенной Бертло, соответствует следующее уравнение состояния:

где a, b- постоянные. Найти Т_кр, Р_кр и V_кр для газа Бертло, выразив эти величины через константы a и b.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Д.В. Сивухин. Термодинамика и молекулярная физика.

(Общий курс физики).

2