Методички по молек физике 1 курс - Преподаватели 1-го курса / Определене удельной теплоты парообразования

Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского

Кафедра экспериментальной физики

Лабораторная работа № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ

ТЕПЛОТЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ

Симферополь 2002

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ

ОБОРУДОВАНИЕ: калориметр с мешалкой, змеевик, парообразователь, термометр, весы, фильтровальная бумага.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ

При определенных давлениях и температурах между жидкостью и ее насыщенным паром имеет место равновесие. Изобразим на диаграмме Р-Т зависимость упругости (давления) насыщенного пара некоторого вещества от температуры, рис. 1. Каждая точка построенной кривой соответствует состояниям, в которых жидкость и насыщенный пар сосуществуют. Давлениям и температурам, не лежащей на этой кривой, соответствует либо жидкое, либо газообразное состояние, в зависимости от того, по какую сторону кривой лежит точка с данными Р и Т. Построенная кривая называется фазовой диаграммой или кривой равновесия фаз.

Фазовые переходы, сопровождающиеся скачкообразным изменением энергии системы, называются фазовыми переходами первого рода, в отличие от переходов второго рода, не сопровождающихся таким скачком. Испарение жидкости относится к фазовым переходам I-го рода, так как одинаковые количества жидкости и пара при одних и тех же давлении и температуре обладают разными внутренними энергиями.

Количество тепла, которое необходимо затратить для того, чтобы испарить определенное количество жидкости без изменения ее температуры при внешнем давлении, равном давлению ее насыщенных паров, называется скрытой теплотой испарения (СТИ). Обычно СТИ относят к единице массы жидкости, и тогда говорят об удельной СТИ. Пользуются также понятием молярной СТИ.

СТИ вообще-то зависит от температуры, при которой происходит испарение. При критической температуре, когда различие между жидкостью и паром исчезает, СТИ равно нулю.

В жидкости всегда имеются очень малые пузырьки воздуха. Внутри пузырька, вместе с воздухом, имеются и пары этой жидкости. В состоянии равновесия давление воздуха и пара внутри пузырька уравновешивает давление снаружи пузырька. В мелком сосуде с жидкостью давление снаружи пузырька можно считать равным атмосферному. Если нагреть жидкость до такой температуры, при которой давление насыщенных паров становится равным атмосферному, пузырьки начинают расти за счет испарения внутри их жидкости со стенок. Пузырьки выталкиваются наверх и пары воды из них попадают в атмосферу. Этот бурный процесс называется кипением жидкости. Вода при нормальном давлении кипит при температуре 100⁰С, следовательно, давление насыщенного водяного пара при этой температуре равно нормальному атмосферному давлению.

Описание прибора для определения удельной теплоты парообразования.

Удельная скрытая теплота испарения (конденсации) может быть определена по количеству тепла Q , выделенному при конденсации пара массы m:

(1)

В настоящей работе определение величины основано на применении уравнения теплового баланса к процессу конденсации паров кипящей воды при пропускании их через латунный змеевик, находящийся в калориметре с водой, который сверху закрыт крышкой.

Количество тепла, отданное паром при конденсации и охлаждении конденсата, равно количеству тепла, полученному змеевиком, водой в калориметре, калориметром и мешалкой. Пар из парообразователя, находящегося на электроплитке, должен быть пропущен через сухопарник, задерживающий сконденсированные капли (туман), а затем поступить в змеевик.

Введем обозначения:

M - масса воды в калориметре

c - теплоемкость воды

m - масса сконденсировавшегося пара

q -так называемый водяной эквивалент калориметра, мешалки и змеевика, то есть количество тепла, необходимое для нагревания этих тел на 1 градус ,

Т₀ - температура холодной воды в калориметре (до пропускания пара), Т_к = 100⁰С - температура кипения воды, Q – температура воды в калориметре после конденсации пара, она же температура образовавшегося в результате конденсации пара конденсата воды.

Количество теплоты, отданное паром при конденсации и конденсатом при его охлаждении, равно:

(2)

При этом вода в калориметре, змеевик, калориметр и мешалка получают количество тепла, равное:

(3)

Примечание. Предполагается, что погружение в воду термометра мало влияет на ее температуру.

Если пренебречь потерями тепла на нагревание окружающей среды, то Q=Q^'. Из (2), (3) получим:

(4)

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ.

Схема установки для определения удельной теплоты парообразования представлена на рисунке 1. На электрической плитке 1 установлен парообразователь 2. На верхней крышке парообразователя находятся 2 крана 3, соединяющие парообразователь с резиновой трубкой и атмосферой. Во время работы кран, соединяющий парообразователь с атмосферой должен быть закрыт, соединяющий с трубкой – открыт.

КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ ЗАКРЫВАТЬ КРАН,

СОЕДИНЯЮЩИЙ ПАРООБРАЗОВАТЕЛЬ С ТРУБКОЙ

Резиновая трубка служит одновременно и сухопарником, который задерживает сконденсированные капли (туман). Далее пар поступает в латунный змеевик 5. В процессе работы в змеевике 5 накапливается сконденсированная вода. Змеевик с помещен в калориметр с водой 4. Температура воды в калориметре измеряется термометром 6. Для того, чтобы вода в калориметре нагревалась равномерно, её перемешивают мешалкой.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ:

1. На весах определить массу калориметра, мешалки и змеевика. Массу воды определить с помощью мензурки.

2. Включить электроплитку в начале работы, чтобы к моменту сборки прибора успела закипеть вода в парообразователе.

3. В калориметр налить холодную воду, температура которой ниже комнатной на несколько градусов. Погрузить змеевик в воду.

4. После начала парообразования подождать, пока температура воды в калориметре станет выше комнатной настолько, насколько она была ниже в начале, прекратить подачу пара.

5. Определить массу сконденсировавшего пара.

6. Вычислить величину λ.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Фазовые переходы 1-го и 2-го рода. Фазовые диаграммы.

2. Что называется скрытой теплотой испарения?

3. Сущность процесса кипения.

4. Вывести рабочую формулу (4)

5. Задача. Вода со своим насыщенным паром находится в сосуде объема V=6л. при температуре 250⁰С и давлении 40 атм. Удельный объем пара при этих условиях V_n^’ = 50л/кг. Масса системы (воды с паром) m=5кг. Найти массу и объем пара.

ЛИТЕРАТУРА.

Д.В. Сивухин. Термодинамика и молекулярная физика. (Общий курс физики).

2