Методика эксперимента

Для определения коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара рассмотрим частично заполненную водой узкую трубку постоянного сечения S(капилляр), открытую с одного конца. ОсьOXнаправим вдоль оси капилляра. На границе с водой (x=0) парциальное давление водяного параp_пв трубке равняется давлению насыщенного параp_нпри температуре опыта. Давление водяного пара в капилляре меняется вдоль осиOXот значенияp_ндо давленияp₁около открытого конца капилляра. Давлениеp₁определяется влажностью воздуха в лаборатории. Таким образом, если предположить, что на расстоянииdxвдоль оси трубки давление водяного пара меняется наdp_п, то градиент парциального давления пара равен, и в трубке возникает диффузионный поток пара, направленный вверх.

Масса пара, которая переносится через площадь поперечного сечения капилляра за одну секунду, согласно формулам (1.9) и (1.10), равна:

. (1.19). Плотность параможно выразить через его парциальное давление, используя уравнение состояния идеального газа, следующим образом:

, (1.20) здесь– молярная масса воды,– универсальная газовая постоянная.

Подставляя (1.20) в формулу (1.19), получим6

. (1.21)

С другой стороны, массу пара можно выразить через скорость понижения жидкости в капилляре:

, (1.22) где– плотность воды, а– понижение уровня жидкости в капилляре за время.

Подставляя соотношение (1.22) в уравнение (1.21), получим

. Интегрируя последнее равенство, получим:

или

, откуда найдём коэффициент взаимной диффузии:

, (1.23) где– расстояние от поверхности воды до верхнего края капилляра. Формулу (1.23) можно использовать для экспериментального определения коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара.

Описание экспериментальной установки и порядок выполнения работы

Для определения коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара предназначена экспериментальная установка (рис. 1.2).

В установке имеется микроскоп, на предметном столике которого размещен рабочий элемент, состоящий из измерителя, к подвижной части которого прикреплен корпус из оргстекла. Микроскоп снабжён двумя окулярами: один даёт увеличение в 25 (), второй– 50 () раз. В отверстии корпуса находятся стеклянная трубка (капилляр) с дистиллированной водой.

Для подсветки трубки при измерениях применяется фонарь, свет от которого передается к рабочему элементу по световоду. Яркость свечения ламп устанавливается регулятором «Подсветка капилляра», который находится на передней панели блока приборов.

Рис. 1.2. Экспериментальная установка для определения коэффициента взаимной диффузии.

Время испарения воды в атмосферу через открытый конец капилляра измеряется секундомером, расположенным в блоке приборов и регистрируется на цифровом индикаторе «Время». Секундомер приводится в действие при включении блока приборов. Сброс на нуль значений на индикаторе производится нажатием кнопки «Останов», после отпускания которой снова начинается отсчет времени. Температура воздуха в блоке рабочего элемента измеряется полупроводниковым термометром и регистрируется на цифровом индикаторе «Температура» блока рабочего устройства. Цена деления окулярной шкалы микроскопа указана на рабочем месте.

Измерения проводятся в следующей последовательности.

1. Снять защитный кожух с микроскопа и подвесить его на винтах на задней панели. Тубус микроскопа поставить в положение, при котором предметный столик с рабочим элементом располагается вертикально.

2. Убедившись в том, что регулятор подсветки капилляра находится в положении минимальной яркости, включить установку тумблером «Сеть».

3. Регулятором подсветки капилляра установить удобное для работы освещение и добиться четкого изображения капилляра. В поле зрения микроскопа наблюдается перевернутое изображение капилляра: вода, заполняющая капилляр будет сверху, а воздух над поверхностью воды– внизу. Граница раздела вода–воздух в капилляре представляет изогнутую поверхность или мениск.

4. Перемещая капилляр вращением гайки измерителя установить изображение мениска в нижней части окуляра микроскопа, учитывая, что при испарении жидкости перевёрнутое изображение мениска перемещается вверх. Записать положение мениска в делениях шкалы окуляра .

5. Включить отсчёт времени и, наблюдая в микроскоп за движением мениска жидкости, через каждые 3 деления шкалы окуляра занести в таблицу значения и времяиспарения жидкости.

6. Установить изображение мениска в нижней части окуляра микроскопа, учитывая, что при испарении жидкости перевернутое изображение мениска перемещается вверх, записать положение мениска в делениях шкалы и включить отсчет времени.

7. При выходе изображения мениска из поля зрения окуляра, вращением гайки измерителя вернуть изображение в начальное положение. Сделать 10-15 измерений положения мениска.

8. Измерить температуру воздуха в рабочем элементе установки.

9. Установить регулятор подсветки капилляра в положение минимальной яркости, после чего выключить установку тумблером «Сеть». Тубус микроскопа установить в вертикальное положение.