Лабораторная работа № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ ВОДЫ

1. Цель работы:

а) изучение метода и установки для опытного определения теплоты парообразования веществ при температурах выше температуры окружающей среды;

б) экспериментальное определение теплоты парообразования воды калориметрическим методом;

в) оценка точности экспериментального определения значения теплоты парообразования воды.

2. Пояснение к работе

Теплотой парообразования (r) называется количество теплоты, необходимое для превращения одного килограмма кипящей жидкости в насыщенный пар при постоянном давлении.

Из этого определения следует, что если к кипящей жидкости при постоянном давлении подводится теплота, то температура ее не изменяется, а вся подводимая теплота затрачивается на работу дисгрегации (разделения) молекул жидкости.

Измерив массу пара и количества теплоты, затраченной на его образование, можно рассчитать значение теплоты парообразования в условиях опыта. Для определения массы пара, образовавшегося за время опыта, достаточно взвесить сосуд (змеевик со сборником конденсата) соответственно в начале и конце опыта. Для определения количества теплоты, затраченной на образование этого количества пара, достаточно измерить температуру воды в калориметре также в начале и в конце опыта. Тогда значение теплоты парообразования может быть рассчитано из следующего уравнения теплового баланса

(С_р,в × М_в + W)× (t₁ – t₀) = M_k × r + M_k×C_р,в× (t_s – t₁), (1)

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

W – водяной эквивалент калориметра – количество теплоты, необходимое для нагрева всех смоченных водой частей калориметра на один градус; определяется в другом независимом опыте, здесь же принимается равным 5,4 кДж/К;

М_k = М₁ – М₀ – масса конденсата, образовавшегося за время опыта, кг;

М₀ и М₁ – масса змеевика в начале и в конце опыта, соответственно;

С_р,в = 4,1868 кДж/(кг×К) – удельная изобарная теплоемкость воды;

t_s – температура насыщения (кипения) при давлении опыта;

t₀ и t₁ – начальная и конечная температура воды в калориметре;

t₀ измеряется в начале опыта (до начала подачи пара в змеевик-конденсатор); t₁ измеряется после выравнивания температуры конденсата (змеевика) и воды в калориметре.

В уравнении (1) левая часть представляет собой теплоту, полученную водой и калориметром в целом за время опыта. Первое слагаемое правой части соответствует теплоте, выделившейся при конденсации M_k кг пара:000 (M_k×r), а второе слагаемое – теплоте, отданной конденсатом при его охлаждении от температуры конденсации (t_s) до температуры, установившейся в конце опыта (t₁) (максимальной температуры воды в калориметре в опыте).

Из уравнения (1) следует, что теплота парообразования r равна

(2)

где Dt = t₁ – t₀ – разность температуры воды в конце и в начале опыта.

3. Описание экспериментальной установки

Рис.4. Схема установки для определения удельной теплоты парообразования воды.

Экспериментальная установка для измерения теплоты парообразования воды (рис.4) состоит из:

1 – электронагревателя; 2 – испарителя; 3 – соединительного паропровода; 4 – змеевика со сборником конденсата; 5 – калориметра; 6 – мешалки с электрическим приводом; 7 – термометра; 8 – экрана, препятствующего передаче теплоты лучеиспусканием от горячей плитки к наружной поверхности калориметра. В лабораторную установку входят также электронные весы с абсолютной точностью взвешивания +0,01 грамма.

4. Методика выполнения опыта

4.1. Убедившись, что змеевик со сборником конденсата пустой, взвесьте его на электронных весах. Внимание! Перед каждым взвешиванием змеевика его надо протирать насухо ветошью.

4.2. Поместите в калориметр змеевик со сборником конденсата; плотно закройте все крышки калориметра; замерьте начальную температуру воды в калориметре с помощью стационарного термометра.

4.3. Включите электронагреватель испарителя (электрическую плиту).

4.4. После достижения устойчивого процесса кипения воды в испарителе (визуально наблюдается интенсивный выход пара из трубки паропровода) соедините испаритель со змеевиком-конденсатором трубкой паропровода; включите электропривод мешалки.

4.5. Периодически наблюдайте за изменением температуры воды в калориметре; при повышении ее температуры на 3–5 ^оС, отсоедините змеевик-конденсатор от испарителя, выключите нагреватель испарителя; продолжайте непрерывно наблюдать за изменением температуры воды в калориметре при работающей электромешалке.

4.6. После стабилизации температуры воды в калориметре (определяется по показаниям термометра 7 и температуре змеевика-испарителя) – замерьте максимальную температуру в опыте, остановите мешалку.

4.7. Взвесьте змеевик-конденсатор; замерьте атмосферное давление при помощи имеющегося в лаборатории барометра.

Измеряемые величины записывайте в таблицу наблюдений (табл.1).

Таблица 1

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

Рассчитанные величины записывайте в таблицу 2.

Таблица 2

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

Полученное в результате опыта значение теплоты парообразования r_оп необходимо сопоставить со значением теплоты парообразования r_m, определённым по таблицам воды и водяного пара Вукаловича в зависимости от атмосферного давления, при котором производились измерения. То есть определить погрешность экспериментального определения теплоты парообразования водяного пара в %

5. Содержание протокола лабораторной работы:

5.1. Титульный лист по образцу, приведенному выше;

5.2. Схема экспериментальной установки;

5.3. Таблицы измерений и результатов расчета теплоты парообразования водяного пара;

5.4. Выводы по результатам выполненной работы.

6. Контрольные вопросы

6.1. Как устроена лабораторная установка? Какие, как и с какой целью измеряются параметры в лабораторной работе?

6.2. На что тратится теплота, подводимая к воде калориметра?

6.3. Что такое водяной эквивалент калориметра? Зависит ли он от количества воды, залитой в калориметр?

6.4. Какие величины входят в формулу для расчета теплоты парообразования воды с помощью лабораторной установки?

6.5. Дайте определение понятию «теплота парообразования». Размерность теплоты парообразования?

6.6. Как зависит теплота парообразования от температуры и давления? Изобразите эти зависимости в координатах r-T и r-p.

6.7. Когда и каким прибором измеряется максимальная температура воды в калориметре? Запишите аналитическое соотношение, из которого можно точно рассчитать эту температуру.

6.8. От чего зависит температура конденсата, образующегося в змеевике-конденсаторе? Как она определяется в опыте?

6.9. От чего зависит и как определяется табличное значение теплоты парообразования (r_m)? Запишите соотношения для расчета теплоты парообразования через энтальпию и энтропию.

6.10. Покажите на T-s диаграмме теплоту, подводимую к воде калориметра за счет охлаждения конденсата после отключения паропровода и конденсации остатков пара. Из какого уравнения можно рассчитать эту теплоту?

6.11. Покажите на T-s диаграмме теплоту парообразования. Запишите соотношения для ее расчета через табличные величины.

6.12. Почему температура воды в калориметре продолжает повышаться после прекращения подачи пара в змеевик-конденсатор?

6.13. Можно ли при помощи настоящей лабораторной установки определить теплоту парообразования фреона R-22 и аммиака NH₃?

6.14. Как изменится опытное и табличное значения теплоты парообразования , если атмосферное давления повысится на 10 мм рт. ст.? Почему?

15. Равны ли значения теплоты парообразования у воды и аммиака при

    нормальном давлении, чем это объясняется?

16. Как влияет значение теплоты парообразования вещества на эффтив-

ность его использования в теплосиловых и холодильных циклах? Изобразите в энтропийных диаграммах процессы, происходящие в колбе с момента включения электроплитки до выхода на режим и в конденсаторе-змеевике после отключения паропровода и до окончания опыта.