Описание экспериментальной установки

Исследуемая жидкость находится в испарителе 1, оборудованном влагоотделяющей решеткой 2.

При нагревании жидкости электрическим нагревателем происходит ее испарение. Пар до установления нужного режима работы поворотом трехходового крана 3 подается в сборную емкость 10. Когда режим установится, кран 3 поворачивают так, чтобы сухой пар поступал в змеевик 5,

находящийся в калориметре 7.

Температура калориметра ниже температуры кипения исследуемого вещества, поэтому пар конденсируется в змеевике 5 и конденсат сливается в сборник 8.

Начальная и конечная температуры воды в калориметре измеряются калориметрическим термометром 4 (термометр Бекмана) с высокой точностью. В данной работе допускается использование обычного лабораторного термометра с ценой деления 0,1 ^оС. Однако в этом случае время эксперимента должно быть увеличено для получения большей разности температур.

Для обеспечения измерения средней температуры воды в калориметрическом сосуде он оборудован мешалкой 6, приводимой в движение электромотором.

Калориметрический сосуд установлен на теплоизоляционной пластине, сверху он закрыт крышкой. В кожух калориметра для снижения тепловых потерь залита дистиллированная вода.

Порядок проведения эксперимента

В данной лабораторной работе необходимо экспериментальным и расчетным путем определить числовые значения следующих параметров воды и водяного пара:

• удельной теплоты r парообразования;

• энтальпии i’ кипящей воды;

• энтальпии i” сухого насыщенного пара;

• энтропии s’ кипящей воды;

• энтропии s” сухого насыщенного пара;

• удельного объема υ” сухого насыщенного пара.

Удельная теплота парообразования. Числовое значение этой величины в данной работе определяется конденсационным методом, основанным на том, что при конденсации сухого насыщенного водяного пара выделяется количество теплоты, равное удельной теплоте парообразования.

Определив введенную в калориметр теплоту при конденсации пара и весовое количество конденсата, образовавшегося за это время в сборнике 8 и змеевике 5, можно вычислить искомую теплоту парообразования r из уравнения теплового баланса:

Q=W(T₂ – T₁) = G∙r + G∙с_рв(Т_s – T₂), (27)

где: Q – введенная в калориметр теплота при конденсации пара, Дж;

W – водяной эквивалент калориметра, Дж/К;

Т₁ и Т₂ – соответственно, начальная и конечная температуры воды в калориметре, К;

G – масса конденсата, кг;

с_рв - средняя удельная теплоемкость жидкости в интервале температур Т₁…Т₂, Дж/кг К;

Т_s – температура кипения (насыщения), К.

Уравнение (27) показывает, что теплота, необходимая для нагрева калориметрической системы от температуры Т₁ до температуры Т₂, равна сумме теплоты конденсации (G∙r) и теплоты охлаждения конденсата от температуры Т_s до температуры Т₂.

Водяной эквивалент калориметра

W=E + G∙с_рв,

где: E – теплоемкость калориметрической системы, Дж/К.

Теплоемкость Е калориметрической системы является характеристикой постоянной калориметра и определяется предварительно при градуировке прибора.

Количество конденсата G определяется объемным методом при сливе конденсата в мерную мензурку. Теплоемкость воды с_рв для данного диапазона температур (Т_s–Т₂) принимается постоянной, равной 4,19 кДж/кг К.

Температура Т_s считается равной 373 К.

После преобразований из уравнения (27) теплового баланса получаем расчетную зависимость для определения удельной теплоты парообразования:

Полученное значение r необходимо сравнить с табличным значением, а затем оценить точность получения экспериментальных данных по выражению:

Энтальпия. Энтальпия i’ кипящей воды и сухого насыщенного пара i”

Определяется по известным термодинамическим соотношениям:

i’=c_рв∙t_s$ i”=i’+r

При известных значениях с_рв, t_s и r определяются значения i’ и i”.

Энтропия. Энтропии s’ и s” соответственно кипящей воды и сухого насыщенного пара определяются по формулам:

Удельный объем υ’ сухого насыщенного пара. Если уравнение Клапейрона-Клаузиуса записать в конечных разностях в виде

то можно найти значение υ”. Объемом υ^’ можно пренебречь из-за его малого значения по сравнению с объемом υ”. Отношение определяется с помощью приведенной ниже таблицы:

Зависимость температуры кипения воды от барометрического давления

(показания барометра отнесены к 0^оС)

Давление (∆р), мм.рт.ст.	Температура (∆Т), оС	Давление (∆р), мм.рт.ст.	Температура (∆Т), оС
730	98,88	746	99,46
732	98,95	748	99,56
734	99,03	750	99,63
736	99,41	760	100,00
738	99,18	765	100,18
740	99,26	770	100,37
742	99,33	775	100,55
744	99,41	780	100,73

С качественной точки зрения повеление паров всех веществ одинаково, поэтому рассмотренное выше применительно к воде и водяному пару справедливо для пара любого другого вещества, хотя числовые значения параметров, при которых происходят качественные изменения, строго индивидуальны.