Для студентов 1 / описание лабораторных работ / Лабораторная работа № 23

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНТРОПИИ ЖИДКОСТИ

ПРИ ИСПАРЕНИИ

Цель работы: Рассмотреть процесс испарения жидкости с позиций статистической физики и термодинамики, определить скорость испарения и изменение энтропии в процессе испарения.

Краткое теоретическое введение

Рассмотрим испаряющуюся жидкость как макросистему, состоящую из большого числа микрочастиц (молекул).

С точки зрения статистической физики молекулы жидкости обладают различными скоростями. Средняя арифметическая скорость молекул определяет температуру жидкости. Однако в жидкости имеются молекулы, скорости которых больше средней арифметической v и есть молекулы, скорость которых меньше средней арифметической.

Энергии молекул, скорости которых оказывается достаточно для преодоления сил молекулярного сцепления. Эти молекулы покидают жидкость и становятся молекулами ненасыщенного пара.

Сама жидкость обедняется быстрыми молекулами. Вследствие этого средняя арифметическая скорость движения оставшихся молекул уменьшается. Поэтому температура испаряющейся жидкости понижается. Процесс испарения можно характеризовать скоростью испарения.

Скорость испарения – это физическая величина, равная массе молекул жидкости, испаряющихся в единицу времени с единицы площади ее поверхности.

Если сосуд с жидкостью имеет форму цилиндра диаметром d и за время t испаряется масса жидкости Δm, то скорость испарения

или (1)

Скорость испарения зависит от температуры и внешнего давления. Рассмотрим теперь испаряющуюся жидкость с точки зрения термодинамики, которая, в отличие от статической физики не рассматривает движение отдельных молекул, а интересуется превращениями энергии данной системы.

Система жидкость – ненасыщенный пар – неравновесна, т.е. характеризующие эту систему параметры P,V,T меняются со временем.

Испарение – это процесс перехода данной системы в равновесное состояние. В результате испарения имеет место фазовый переход (жидкость превращается в пар). При этом согласно I началу термодинамики должна изменяться внутренняя энергия системы. Это изменение может происходить в двух случаях:

1. если система получает извне (или сама отдает) некоторое количество тепла;

2. если система совершает работу против внешних сил (или внешние силы совершают работу над системой).

В случае испарения жидкость отдает тепло, при этом ее внутренняя энергия уменьшается. Необходимо отметить, что система жидкость – ненасыщенный пар не является термодинамически изолированной и сама охлаждающаяся жидкость отбирает тепло у окружающих тел (сосуда, подставки и т.д.).

Количество теплоты, необходимое для испарения единицы массы жидкости при данной температуре, называется удельной теплотой испарения (парообразования) r.

Мысленно разделим рассматриваемую систему на такие бесконечно малые массы Δm, испарение которых не вызывает существенного изменения температуры жидкости. Тогда переход жидкости в пар можно представить состоящим из ряда равновесных процессов. Состояние системы и рассеивание энергии в пространстве при испарении в этом случае можно характеризовать энтропией.

Энтропия S – это однозначная функция состояния, элементарное изменение которой при равновесном переходе системы из одного состояния в другое равно полученному или отданному количеству теплоты, деленному на абсолютную температуру, при которой произошел этот процесс:

Если мы имеем ряд равновесных переходов, то изменение энтропии

где S- энтропия, характеризующая систему в 1 состоянии,

S- энтропия, характеризующая систему во втором состоянии.

В нашем случае при испарении массы dm измерение энтропии

dS

Здесь Т- абсолютная температура жидкости

Если незначительным изменением температуры при испарении массы m можно получить формулу для определения энтропии жидкости, считая, что Т=const

S S-S=,

S

где m – масса испаряющейся жидкости за время t.

Экспериментальная часть

Приборы и принадлежности : демпферные весы, часы, штангенциркуль, термометр, цилиндрический стаканчик, спирт.

Описание установки

Для точного взвешивания этой работе используются демпферные весы, взвешивание на которых можно производить с точностью до 0,1 мг. Правила использования этими весами имеются непосредственно у лабораторной установки. Целесообразно, тем не менее, перед началом работы на весах получить консультацию у преподавателя или лаборанта.

Поместив на одну из чашек весов стаканчик со спиртом и уравновесив весы, ведут наблюдение изменения массы спирта за счет его испарения.

Задания:

1. Измерить внутренний диаметр стаканчика штангенциркулем. Измерение повторить 4-5 раз и определить среднее значение диаметра.

2. Определить температуру, при которой идет опыт, по термометру, находящемуся в лаборатории.

3. Налив в стаканчик этиловый спирт, поместить его на левую чашку весов и произвести уравновешивание весов в соответствии с правилами использования.

4. Зафиксировать на часах начало отсчета времени, после чего в течение шести минут наблюдать перемещение светового указателя весов. По истечении шести минут определить изменение показаний весов m, которое будет равно массе испарившегося спирта.

5. Повторить опыт еще два-три раза. На основании результатов всех опытов рассчитать среднее значение массы испарившегося спирта.

6. Рассчитать скорость испарения спирта по формуле

U

Расчет произвести один раз по средним значениям прямых измерений.

7. Рассчитать абсолютную и относительную погрешности измерения скорости.

Формулу для подсчета этой погрешности получить самостоятельно.

8. Рассчитать изменения энтропии при испарении спирта по формуле:

S

Значение удельной теплоты парообразования спирта найти в справочнике.

9. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу. Форму таблицы разработать самостоятельно.

10. Сделать выводы по работе.

Контрольные вопросы.

1. Что называется состоянием термодинамической системы? Какими параметрами оно может определяться? Что такое макро- и микросостояния?

2. Определите понятие энтропии как функции состояния системы. Каков физический смысл этой функции?

3. Приведите примеры расчёта измерения энтропии для процессов, происходящих с идеальным газом, а также для процессов теплообмена, происходящих с жидкостями и твёрдыми телами.

4. Что такое обратимые и необратимые процессы?

5. Почему изменение энтропии замкнутого термодинамического цикла не может быть отрицательным?

6. Каков статический смысл энтропии? Запишите математическую связь между энтропией и термодинамической вероятноятью?

7. Дайте формулировку второго начала термодинамики с использованием понятия энтропии.