ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

ФГБОУ ВПО «КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 304

КРИВАЯ ФАЗОВОГО РАВНОВЕСИЯ ВОДЫ

Методическое указание к выполнению лабораторной работы по разделу «Молекулярная физика» для студентов всех форм обучения по всем специальностям

Калининград

Цель работы:Определить теплоту испарения жидкости в диапазоне температур эксперимента.

ВВЕДЕНИЕ

В жидкостях всегда имеется некоторое число молекул, энергия которых достаточна для преодоления притяжения к другим молекулам и которые способны оторваться от поверхности жидкости и перейти в окружающее их пространство. Этот процесс называется испарением и происходит на свободной поверхности жидкости.

Вследствие теплового движения молекул испарение возможно при любой температуре. Но с повышением температуры скорость испарения возрастает. В замкнутом пространстве (закрытом сосуде) испарение происходит при заданной постоянной температуре до тех пор, пока пространство над жидкостью не заполнится насыщенным паром.

Напомним. Паром называется вещество в газообразном состоянии при температуре ниже критической. Для индивидуальных веществ критическая температура определяется как температура, при которой исчезает различие в физических свойствах между жидкостью и паром, находящимся в равновесии с собственной жидкостью. При критической температуре плотности жидкости и пара становятся одинаковыми, граница между ними исчезает, и теплота парообразования обращается в нуль. Пар называется насыщенным, если он находится в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Давление насыщенного пара P_нас зависит только от температуры Т и повышается с её увеличением. Зависимость Р_нас = f (Т) называется равновесной кривой испарения. Если Р_нас становится равным внешнему давлению или его превышает, то испарение переходит в кипение. Наиболее высокой температурой кипения является критическая температура данного вещества. Критическая температура и давление определяют критическую точку – конечную точку на равновесной кривой испарения. Выше этой точки сосуществование двух фаз (жидкости и пара) в равновесии невозможно.

При переходе из жидкости в пар молекула должна преодолеть силы молекулярного сцепления в жидкости. Работа против этих сил (работа выхода), а также против внешнего давления уже образовавшегося пара совершается за счет кинетической энергии теплового движения молекул. В результате испарения жидкость охлаждается. Поэтому, чтобы процесс испарения протекал при постоянной температуре, необходимо сообщать каждой единице массы вещества определённое количество теплоты, называемое теплотой испарения.

Теплота испарения уменьшается с ростом температуры, особенно быстро вблизи критической точки, обращаясь в этой точке в нуль. Теплота испарения связана с производной насыщенного пара по температуре уравнением Клапейрона – Клаузиуса:

,

где Т – температура перехода (процесс изотермический);

– значение производной от давления по температуре на кривой фазового равновесия;

(V₂ – V₁) – изменение объёма вещества при переходе его из первой фазы во вторую.

Напомним. Уравнение было получено в 1834 году французским ученым Б. П. Э. Клапейроном из анализа цикла Карно для конденсирующегося пара, находящегося в тепловом равновесии с жидкостью. В 1850 году немецкий физик Р. Клаузиус усовершенствовал уравнение и обобщил его на другие фазовые переходы. Уравнение Клапейрона – Клаузиуса применимо к любым фазовым переходам, сопровождающимся поглощением или выделением теплоты (т. н. фазовым переходам 1-го рода) и является следствием условия фазового равновесия. Уравнение может использоваться для расчёта любой из величин, входящих в уравнение, если остальные известны. В частности, с его помощью рассчитываются теплоты испарения, экспериментальное определение которых сопряжено со значительными трудностями.

Часто уравнение Клапейрона – Клаузиуса записывают относительно производной:

Таким образом, уравнение является дифференциальным уравнением кривой фазового перехода в переменных Р, Т. Для его решения необходимо знать, как изменяются с температурой и давлением величины теплоты фазового перехода, начального и конечного объёма, что представляет сложную задачу. Обычно эту зависимость устанавливают эмпирически и решают уравнение численно.

Скорость испарения резко снижается при наличии на поверхности жидкости достаточно прочной плёнки нелетучего вещества. Испарение жидкости в газовой среде, например, в воздухе, происходит медленнее, чем в разрежённом пространстве (вакууме), так как вследствие соударений с молекулами газа часть частиц пара вновь возвращается в жидкое состояние (конденсируется). Испарение относится к фазовым переходам 1-го рода. При процессе, обратном испарению, т. е. при образовании из пара жидкой фазы (конденсации пара) происходит выделение теплоты испарения.

Испарение применяется в технике как средство очистки веществ или разделения жидких смесей перегонкой. Процесс испарения лежит в основе работы двигателей внутреннего сгорания, холодильных установок, а также всех процессов сушки материалов. В естественных условиях испарение является единственной формой передачи влаги с поверхности океанов и суши в атмосферу и основной составляющей круговорота воды в природе.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Приборы и оборудование: лабораторный комплекс ЛКТ-2 НТЦ «Владис» (модуль М05 «АВТОКЛАВ –МАНОМЕТР» в блоке №2 «ГАЗ-ЖИДКОСТЬ», измерительная система ИСТ-2М, кабель для соединения модуля М05 и системы ИСТ-2М, компрессор в модуле М01) шприц медицинский объёмом 20 мл в комплекте с хлорвиниловой трубкой, вода кипячёная охлаждённая.

Модуль "АВТОКЛАВ-МАНОМЕТР" (рис.1) предназначен для изучения зависимости давления насыщенного пара воды от температуры. Основная часть автоклава – труба 1 с верхней и нижней полостями, соединёнными круглым каналом диаметром 6 мм. На трубе имеется нагревательная обмотка 2. В трубу ввёрнут датчик температуры 3. Полость автоклава соединена шлангом 4 с мерной трубкой 5, расположенной вдоль линейки 6, по которой отсчитываются координаты характерных точек прибора и уровни жидкости h.

Модуль "АВТОКЛАВ-МАНОМЕТР"

Рис.1

Верхний торец калиброванного канала герметизирован заглушкой с резиновой шайбой. Для удобства вворачивания (особенно при нагретом автоклаве) заглушка снабжена пластмассовой ручкой.

На блоке "ГАЗ-ЖИДКОСТЬ" расположен разъём для присоединения кабеля.

Для установки заданы:

Высота верхнего края канала: h₂ = (93,0 ± 0,5) мм

Площадь сечения мерной трубки: S = (75,4 ± 0.6) мм²

Площадь сечения калиброванного канала: S₀ = (28,3 ± 0.2) мм²

Высота нижнего края канала: h₁ = (27,0 ± 0.5) мм

Начальный уровень воды h₀=( h₁+5) мм = (32,0±0,5) мм.

Измерительная система ИСТ-2М (рис.2) предназначена для обеспечения электропитания модуля "АВТОКЛАВ-МАНОМЕТР", управления температурой нагревателя и его термостатирования и для измерения параметров (в данной работе - напряжения питания нагревателя, температуры нагревателя).

В данной работе используются следующие органы управления и контроля, расположенные на лицевой панели системы ИСТ-2М:

- тумблер "СЕТЬ" для подачи электропитания в систему;

- цифровой индикатор Н1, показывающий соответствующие параметры;

- тумблер "НАГР.-ВКЛ.", подающий электропитание на нагреватель;

- тумблер рода напряжения «», =»;

- электроразъём "ТЕРМОСТАТ" для присоединения кабеля;

- кнопки "Т₁" и "U_н" для вывода этих параметров на индикатор;

- рукоятка "ТЕМПЕРАТУРА" для установки величины рабочей температуры нагревателя (40 – 120) ^оС;

- рукоятка "НАГРЕВ" для установки величины рабочего напряжения на нагревателе (0 – 20) B;

- индикаторы режима работы термостата (Н2 – зелёный, Н3 – красный).

Кроме того, используется секундомер, расположенный на корпусе комплекса слева (допускается использовать наручные часы).

В процессе нагрева автоклава до заданной температуры светится зелёный индикатор, после достижения заданной температуры автоматически включается система термостатирования и светятся оба индикатора, в случае перевода рукоятки "ТЕМПЕРАТУРА" на меньшее значение система термостатирования отключается, начинает светиться только красный индикатор, и нагрев автоклава прекращается.

Срабатывание третьего индикатора (Н4) с одновременным появлением звукового сигнала свидетельствует о неполадках в работе системы, в этом случае необходимо весь комплекс ЛКТ-2 обесточить.

Для подключения комплекса к сети »220 В используется кабель (белого цвета) с заземляющим проводом, соединённым с заземляющей клеммой корпуса установки. Внутри установки на задней стенке имеется электророзетка, в которую постоянно включены два кабеля чёрного цвета.

В исходном состоянии органы управления комплекса ЛКТ-2, модуля "АВТОКЛАВ-МАНОМЕТР" и измерительной системы ИСТ-2М находятся в следующих положениях:

- комплекс обесточен, модуль и измерительная система электрически разъединены;

- заправочное отверстие модуля закрыто заглушкой;

- на панели ИСТ-2М рукоятки всех потенциометров должны находиться в левом (против часовой стрелки) положении до упора, тумблер "НАГР.-

Измерительная система ИСТ-2М

Рис.2

ВКЛ." в положении "НАГР.", тумблер "СЕТЬ" в нижнем положении, тумблер «»,=» в положении «=», кнопки "Т1…U_вх" выключены (выдвинуты из корпуса);

- секундомер обнулён.

До начала работы в протоколе испытаний необходимо приготовить таблицы для записи измеряемых значений и полученных после обработки результатов эксперимента по предлагаемым ниже формам:

Таблица 1

Таблица 2