Лабораторная работа №4 Определение упругости пара жидкости в зависимости от температуры. Расчет теплоты испарения
Цель работы - определить упругость пара испытуемой жидкости при нескольких температурах. По полученным данным построить график зависимости P от T и ln P от 1/T.
Теоретическая часть
Процессы перехода
чистых веществ из одного агрегатного
состояния в другое (плавление, испарение,
кипение) не сопровождаются химическим
превращением: они характеризуются тем,
что для каждого давления имеется своя
температура (точка перехода), при которой
обе фазы находятся друг с другом в
термодинамическом равновесии. Эта
температура называется температурой
плавления, кипения и т.д. Температура
перехода чистых веществ (не растворов)
зависит от давления. На неё не влияют
ни условия опыта, ни количество обеих
фаз. Таким образом, для точки перехода
,
или, что то же самое,
.
Общая форма зависимости между давлением и температурой равновесно сосуществующих фаз однокомпонентной системы была найдена Клайпероном (1834г.) и позже более строго обоснована Клаузиусом (1850г.).
(12)
.
Уравнение (12) называется уравнением Клаузиуса – Клапейрона и приложимо ко всем агрегатным превращениям индивидуальных веществ.
Теплота испарения
всегда положительна. Объем газа (пара)
всегда больше объема жидкости, поэтому
всегда
,
т.е. при повышении внешнего давления
температура кипения жидкости повышается
или при повышении температуры давление
насыщенного пара над жидкостью возрастает.
При умеренных
температурах и давлениях, ни слишком
близких к критическим, объем кипящей
жидкости мал по сравнению с объемом
сухого насыщенного пара, поэтому
изменение объема
в уравнении Клаузиса – Клайперона может
быть заменено объемом
– сухого насыщенного пара.
Уравнение Клаузиса – Клайперона в этом случае примет вид:
(13)
.
Если при умеренных
давлениях к сухому насыщенному пару
применимо уравнение состояния идеального
газа
,
заменив
и тогда
(14)
.
Разделим переменные
(15)
.
Для того, чтобы
проинтегрировать уравнение (15) нужно
знать, как
зависит от
.
В узком интервале температур можно
считать, что
= const. Тогда, интегрируя уравнение (15) в
пределах от
до
,
имеем:
(16)
.
Порядок проведения работы
Прибор состоит из широкой пробирки с отводом. Через тройник-отводник пробирки соединяются с одной стороны с манометром, а с другой - через двугорлую склянку с насосом. Пробирка плотно закрывается пробкой, в которую вставлен термометр. Пробирка опускается в водяную баню, которая медленно нагревается.
В пробирку наливают 5-10мл испытуемой жидкости (изопропиловый спирт), пробирка плотно закрывается пробкой с термометром. Шарик термометра должен находиться примерно на 1 см выше уровня жидкости. После этого пробирку соединяют с насосом и манометром.
Перед началом работы необходимо проверить прибор на герметичность. Для этого с помощью насоса создают в приборе произвольное разряжение, не доводя жидкость до кипения, и наблюдают за уровнем ртути в манометре. Если в течение нескольких минут положение ртути не изменится, то систему можно считать герметичной. В противном случае необходимо проверить все соединения в приборе и добиться полной его герметичности. Только после этого можно начинать опыт.
Выдержав жидкость несколько минут при данной температуре насосом создают такое разряжение, что жидкость в приборе закипает. В этот момент делают отсчеты температуры и снимают показания манометра. Если испытуемая жидкость-эфир, то отсчет производят при комнатной температуре, этиловый спирт - при 700 С. После отсчета осторожно выпускают воздух через кран, снижают разряжение примерно на 100 мл и медленно нагревают воду, пока жидкость снова не закипит. Сделав отсчеты как в первом случае, снова снижают разряжение и повторяют измерения. Так поступают несколько раз. Последнее измерение проводится при атмосферном давлении, на этом опыт заканчивается.
Полученные данные сводятся в таблицу 2.
Таблица 2
Показания манометра |
Температура кипения жидкости |
|
|
По данным столбцов
строится график зависимости
от
.
Рассчитывается молекулярная теплота
испарения по уравнению Клаузиуса -
Клапейрона в интеграле двух температур.
Температура выбирается так, чтобы
разница между ними была не менее 8-120С.
Для построения
графика
от
и расчета из него молярной теплоты
испарения необходимо составить таблицу
3.
Таблица 3
tкип (С0) |
Ткип (К) |
1/T |
Рмм.рт.ст. |
lnP |
|
|
|
|
|
Данные строк наносятся на миллиметровую бумагу в строго выбранном масштабе. Через полученные точки проводится усредненная прямая и рассчитывается тангенс угла наклона ее по любым двум произвольно взятым точкам на этой прямой.
В этом случае
(17)
и
и соответствующие им значения
и
берутся из графика по масштабу.
Уравнение Клаузиуса – Клапейрона
(18)
R=1,988 кал/моль.град = 8,314Дж/мольК
Теплота испарения может быть найдена, кроме того, по графику
(19)
При построении строго соблюдать масштаб - единичный отрезок по горизонтальной и вертикальной оси должен быть одинаковый.
Рис. 3.
Контрольные вопросы
1. Используя измеренную зависимость давления насыщенного пара от температуры, рассчитайте температуру кипения исследуемой жидкости и сравните с табличным значением.
2. При заданной преподавателем температуре рассчитайте изменение внутренней энергии ∆U, энтропии ∆S, термодинамического потенциала ∆G, свободной энергии ∆F при испарении 1 моля исследуемой жидкости.
3. Используя табличные данные, рассчитайте стандартную энтропию 1 моля исследуемого вещества в жидком и газообразном состоянии при заданной преподавателем температуре.
4. Используя данные Приложения, рассчитайте давление насыщенного пара над льдом при температуре – 10°С или другой заданной температуре.