Контрольные вопросы:

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

2. Значение какой теплоемкости (истинной или средней) можно рассчитать по измеряемым в работе параметрам? Поясните почему.

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

4. Дайте определение понятию «нормальные условия». В каких случаях они используются? Что означает величина с размерностью нм³? Что означают величины 22,4 нм³ и 22,4 литра?

5. Дайте определение понятиям функция состояния и функция процесса. Теплоемкость является функцией процесса или функцией состояния?

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

7. Как соотносятся (связаны) между собой массовая, объемная и мольная теплоемкости? Каковы их размерности в СИ?

8. В чем состоит отличие между понятиями «теплоемкость тела и удельная теплоемкость вещества»? Связаны ли они между собой?

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

10. Геометрический смысл средне и истинной теплоёмкости в процессе, изображенном в T,s координатах? Два свойства T,s диаграммы?

11. Запишите соотношения, связывающие значения изобарной и изохорной теплоемкостей.

12. От скольких и каких параметров зависят теплоемкости идеального и реального газов? От чего зависят изохорная и изобарная теплоемкости идеального газа по упрощенной МКТ?

13. Запишите соотношения для расчета изохорной и изобарной теплоемкостей идеального газа по упрощенной модели молекулярно-кинетической теории.

14. Выведите (запишите) соотношение для пересчета измеряемого в опыте расхода воздуха в нм³.

15. Как построены таблицы средних значений теплоемкостей идеального газа? Запишите уравнения для расчета теплоты в процессе с использованием средних табличных теплоёмкостей.

16. От скольких и каких параметров состояния зависят теплоемкости реального и идеального газов? От чего зависит теплоемкость идеального газа по упрощенной модели молекулярно-кинетической теории?

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ДАВЛЕНИЯ НАСЫЩЕННОГО ПАРА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

1. Цель работы:

а) опытная проверка зависимости давления насыщенного пара от температуры;

б) построение зависимости р_s = f (t_s) и определение нормальной температуры кипения исследуемого вещества.

2. Пояснение к работе

Из курса физики известно, что температура кипения жидкости зависит от давления, под которым находится жидкость. С повышением давления температура кипения увеличивается. Для практического использования такие зависимости для веществ представляются в табличных, графических или аналитических формах в виде р_s = f (t_s) или t_s = f (p_s) и называются кривыми парообразования. В научной литературе эти зависимости называют также кривыми упругости. В координатах p-v, T-s и h-s кривая упругости расслаивается с образованием двух ветвей пограничной кривой – насыщенного пара и кипящей жидкости, которые плавно сопрягаются в критической точке. Эта точка является особой точкой на термодинамической поверхности: при давлении, превышающем критическое, явление фазового перехода жидкость – пар не наблюдается, а имеет место непрерывный (перманентный) процесс перехода жидкости в пар. В этом случае (при р>р_кр) при изобарном процессе сжатия газа вещество остается в гомогенном состоянии без расслоения на две фазы – на жидкость и пар. Состояния веществ, ограниченные линиями р = р_кр = idem и Т = Т_кр = idem, а также кривой затвердевания, принято называть флюидами или сильно сжатыми газами. Перевод веществ из этого состояния в газообразное и обратно, если не принято специальных мер, происходит непрерывно, от есть без соответствующего фазового перехода. Снизу кривая упругости ограничена тройной точкой, в которой одновременно сосуществуют в равновесии три фазы (твердая, жидкая и парообразная). В этой точке значения температуры и давления на кривой парообразования являются минимальными.

При давлениях ниже давления тройной точки вещества (р< р_тр) происходит непосредственный процесс фазового перехода вещества из твердого (кристаллического) состояния в парообразное. Этот процесс называется возгонкой или сублимацией. При давлениях р> р_тр, если вещество находится в твердом состоянии, то при его изобарном переходе в парообразное состояние наблюдается два фазовых перехода: плавления (из твердого в жидкое) и парообразования (из жидкого в парообразное состояние).

Третьей важнейшей характеристикой вещества, как рабочего тела энергетических и холодильных установок, является так называемая нормальная температура кипения (t_нк). Это температура кипения вещества при нормальном давлении (760 мм рт. ст. или 1,01325 бар). В зависимости от соотношения между значениями t_нк различают высококипящие и низкокипящие вещества. Низкокипящие вещества используются в качестве рабочих тел холодильных установок (аммиак, фреоны). Высококипящие вещества используются в качестве рабочих тел энергетических установок (вода, ртуть). Ниже в качестве примера приводятся важнейшие характеристики некоторых рабочих тел энергетических и холодильных установок.

Таблица 1

Характерные параметры некоторых рабочих тел энергетических и холодильных установок

Наименование вещества	Химическая формула	ркр, МПа	tкр, оС	ртр, МПа	tтр, оС	tнк, оС
Ртуть	Hg	151,0	1490	3.10–9	–38,87	356,95
Вода	H2O	22,115	374,12	6.10-4	0,01	100,0
Ацетон	C3H6O	4,76	235,0	<1мм рт.ст	–93,2	56,1
Аммиак	NH3	11,36	132,25	0,006076	–77,73	-33,35
Фреон R12	C F2 Cl2	4,132	111,8		–155,0	-29,8
Фреон R134a	C2 H2 F4	4,067	101,1		–103,3	-26,1
Фреон R22	C H F2 Cl	4,977	96,00		–160,0	-40,8
Диоксид углерода	CO2	7,382	31,04	0,51791	–56,59	–78,47*
Кислород	О2	5,043	-118,57	1,463.10-4	–182,96	–218,8
Азот	N2	3,40	-146,95	0,01253	–210,0	–195,8
Водород	H2	1,316	-239,92	7,2.10-3	–259,2	–252,9
Фреон R125	C H F5	3,621	66,18	2,95.10-3	–100,63	–48,12
Фреон R32	C H2 F2	5,785	78,20	4,75.10–5	–136,81	–51,66
Метан	С Н4	4,626	–82,38	0,01172	–182,47	–161,5
Этилен	С2 Н4	5,052	9,20	1,21.10–4	–169,18	–103,8
Этан	С2 Н6	4.8714	305.33К	1,13 Па	90.348 К	84.57К
Пропан	С3Н8	4.2475	369.85К	1.69.10-4 Па	85.47 К	231.1К
Гелий		0,2275	-267,96			4,224К

3. Описание лабораторной установки

В установку (рис.3) входят:

1 – термостат, служащий для нагрева и поддержания постоянства температуры исследуемого вещества, помещенного в баллон; в качестве термостатирующей жидкости используется вода;

2 – мешалка, предназначенная для выравнивания температуры термостатирующей жидкости по всему объему термостата;

3 – термометр для измерения температуры термостатирующей жидкости;

4 – баллон с исследуемым веществом (ацетоном), соединенный капилляром с U-образным мановакуумметром 5.

4. Методика проведения опытов

После ознакомления на месте с расположением отдельных узлов и приборов, а также лабораторной установкой в целом определяем положение менисков термометрической жидкости (воды) в правом и левом коленах мановакуумметра и измеряем начальную температуру воды в калориметре. Затем включаем установка (нагреватель и электромешалку) и через каждые 3 ⁰С определяем и записываем в таблицу положения жидкости в правом и левом коленах мановаккуумметра.

При заполнении таблицы измерений необходимо в графе примечание указывать, какое давление показывает мановакуумметр: разрежение или избыточное: если в левом колене мановакуумметра уровень воды выше, чем в правом, то прибор показывает давление разрежения в баллоне 4 (р_разр), иначе – избыточное давление (р_изб).

Рис.3. Схема установки для исследования зависимости давления насыщенного пара от температуры

Таблица 2

Измеренные и рассчитанные величины

№№ опытов	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
6

5. Обработка экспериментальных данных

После окончания измерений производим расчеты абсолютных давлений насыщенного пара, которые соответствуют измеренным значениям температуры:

р_s = p_атм + Dh, (1)

где Dh = h_прав – h_лев, мм вод. ст.

В формулу (1) значения Dh подставляются в мм рт. ст. со своим знаком, зависящим от того, какое давление показывает мановакуумметр: разрежение или избыточное.

Напоминаем, что при пересчете следует учитывать следующие соотношения между единицами измерения давлений

1 бар = 750 мм рт. ст.

1 мм рт. ст. = 13,6 мм вод. ст.

Эти соотношения строго справедливы при 0 ^оС и g = 9,808665 м/с². Однако в настоящей лабораторной работе эти зависимости не учитываются.

После окончания расчетов строим график зависимости p_s = f (t_s). При этом значения p_s должны быть представлены в барах, а температура t_s – в ^оС. Масштабы по координатам р и t необходимо выбрать такими, чтобы можно было с достаточной точностью определить нормальную температуру кипения исследуемой жидкости. По результатам выполненной лабораторной работы сделайте вывод – к какому из перечисленных в таблице 1 веществ по своим термическим свойствам приближается исследуемая жидкость.

6. Содержание протокола лабораторной работы

6.1. Титульный лист в соответствии с образцом, приведенным в начале методических указаний.

6.2. Схема экспериментальной установки.

6.3. Таблица измерений и расчета измеренных величин.

6.4. Таблица абсолютных давлений насыщенных паров исследуемой жидкости в зависимости от температуры кипения.

6.5. График зависимости p_s = f (t_s).