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.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ

123

ТЕПЛОТЫ ИСПАРЕНИЯ

В полость корпуса автоклава через верхнее отверстие наливают дистиллированную или кипячёную отстоянную воду до уровня h₀ на 3 – 5 мм выше уровня h₁ нижнего торца канала (см рис. 1). Вода заполняет нижнюю полость и входит в нижнюю часть канала. При закрывании канала заглушкой в канале образуется герметизированная, заполненная воздухом полость, начальный объем V₀ которой определяется площадью S₀ сечения канала, начальным уровнем жидкости h₀ (определяется по шкале мерной трубки после завёртывания пробки) и уровнем верхнего торца канала h₂:

V₀ = S₀ (h₂ – h₀) (1)

Начальная температура t_o и атмосферное давление P₀ определяются по термометру и по барометру-анероиду, которые находятся в помещении.

При нагревании корпуса, а вместе с ним и его содержимого до новой температуры Т _н , воздух в канале расширяется, кроме того, к нему добавляются пары воды. Вода из полости вытесняется в мерную трубку, где поднимается до нового уровня h. Объём вытесненной жидкости:

V = S (h – h₀), (2)

где S – площадь сечения канала трубки. Значения используемых геометрических величин см. на листе 5.

Суммарное давление воздуха Р_в и паров Р_п практически равно атмосферному давлению Р₀ (давление столба жидкости в трубке нужно учитывать только при очень точных, прецизионных измерениях). По формуле Р = r g h , где r – плотность воды, g – ускорение силы тяжести, h – высота мерной трубки, можно оценить давление столба жидкости в трубке как не превосходящее 2 кПа, в то время как нормальное атмосферное давление составляет около 100 кПа. Таким образом, относительная погрешность рассчитанного давления не превосходит 2 %.

Давление воздуха Р_в = Р₀ – Р_п. Используя уравнение объединённого газового закона для воздуха

, (3)

находим давление пара

. (4)

Исходя из уравнений Клапейрона – Менделеева и Клапейрона – Клаузиу-

са, по зависимости ln (Р_п) от 1/Т_н можно найти теплоту испарения

, (5)

где R = 8,31 Дж/(моль К) – универсальная газовая постоянная,

М = 18×10^-3 Кг/моль – молярная масса воды.

Примечание. Следует иметь в виду, что операция логарифмирования именованных (имеющих размерности) величин не имеет смысла, поэтому будем условно считать, что логарифмирование проводится для отвлечённых величин.

3.1. Порядок выполнения работы

3.1.1. Проверьте надёжность уплотнения автоклава заглушкой, наличие воды в автоклаве и её уровень в мерной трубке. При необходимости долейте воду до заданного уровня (см. первый абзац раздела 3), шприц находится в одном из средних выдвижных ящиков комплекса ЛКТ-2. Данная процедура должна быть выполнена предварительно инженером лаборатории.

3.1.2. Запишите в табл.1 значения начального уровня воды в мерной трубке h₀, температуры в помещении t₀ и атмосферного давления Р₀.

3.1.3. Подключите соединительный кабель (находится в левом выдвижном ящике комплекса ЛКТ-2) к электроразъёмам блока "ГАЗ-ЖИДКОСТЬ" и измерительной системы ИСТ–2М, включите комплекс в сеть »220 В, включите тумблер "СЕТЬ". При этом загорятся зелёная лампочка у рукоятки "ТЕМПЕРАТУРА" и цифровой индикатор. Рукояткой "НАГРЕВ" установите рабочее напряжение (19 -19,5) В. Контроль напряжения ведите по четырехразрядному цифровому индикатору при нажатой кнопке "U_н" -напряжение питания нагревателя в вольтах.

3.1.4. Включите нагреватель, для чего тумблер "НАГР.-ВКЛ." переведите в положение "ВКЛ.". Нажмите кнопку переключателя "Т₁" – температура подключённого к системе датчика в °С с разрешением 0,1 градуса. Температуру задавайте рукояткой "ТЕМПЕРАТУРА", совмещая прорезь на рукоятке с точками на лицевой панели системы ИСТ-2М. Первое значение температуры t_н получите в исходном положении рукоятки, то есть против часовой стрелки до упора.

Следите за повышением температуры и при скорости изменения не более0,1 град/мин (наступление стабилизации) запишите в табл.1 значения t_н с индикатора и h с измерительной линейки блока "ГАЗ-ЖИДКОСТЬ". Значения с измерительной линейки считывайте по правой кромке водяного мениска с точностью ±1 мм, значения температурыс точностью до целых.

3.1.5. Так же, как и в предыдущем пункте, запишите в табл.1 значения t_н

и h, последовательно устанавливая рукоятку и дожидаясь стабилизации температур в точках (50, 60, 70, 80, 90) ^оС. В протокол записывайте фактические значения температур с индикатора, они будут несколько ниже устанавливаемых номинальных значений.

После установки очередной температуры проверяйте значение напряжения нагрева (утапливая кнопку «U_н»), поддерживая его в заданных пределах.

ВНИМАНИЕ!

В указанные в п.4 положения регулятор температуры устанавливать вращением только по часовой стрелке, оставляя те фактические значения температуры, которые стабилизируются и высвечиваются на индикаторе. Корректировать температуру вращением регулятора против часовой стрелки категорически ЗАПРЕЩАЕТСЯ!

3.1.6. После выполнения п.3.1.5 выведите рукоятки "ТЕМПЕРАТУРА" и "НАГРЕВ" против часовой стрелки до упора, верните тумблер "НАГР.-ВКЛ." в положение "НАГР.", а тумблер "СЕТЬ" в нижнее положение. Отсоедините от обоих разъёмов кабель, уберите его и шприц для налива воды в средний выдвижной ящик комплекса ЛКТ-2.

3.1.7. Отсоедините комплекс от сети »220 В.

Замечания:

1. При заливании в систему сырой воды результаты будут искажены растворённым в воде воздухом. Пользуйтесь только кипячёной отстоянной и охлаждённой водой.

2. При температуре вблизи комнатной результаты могут быть искажены начальным давлением водяного пара, оставшегося при завёртывании заглушки.

3.2. Обработка результатов эксперимента

3.2.1. Рассчитайте по формуле (1) и внесите в табл.2 значение V₀ и значения T₀, T_н в кельвинах.

3.2.2. Рассчитайте по формуле (2) и внесите в табл.2 значения объёмов вытесненной жидкости V.

3.2.3. Рассчитайте по формуле (4) и внесите в табл.2 значения давлений пара Р_п.

3.2.4. Постройте на миллиметровке формата А4 равновесную кривую испарения, т. е. зависимость Р_{п =} f (Т_н). Рассчитайте и внесите в табл.2 значения 1/Т_н и значения натуральных логарифмов от значений Р_п.

3.2.5. Постройте на миллиметровке формата А4 зависимость давления насыщенного пара от температуры в полулогарифмическом масштабе, т. е. зависимость ln P_п = f ( ). График (прямую линию) необходимо провести по максимальному количеству экспериментальных точек, ложащихся на прямую.

3.2.6. По второму графику определите с учётом знака производную и рассчитайте значение теплоты испарения.

3.2.7. Сравните полученный результат с табличным значением

(2256 Дж/г), рассчитайте относительную погрешность ε и сделайте вывод.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ (ПРИМЕРНЫЕ)

4.1. Что означает понятие «фаза» в термодинамике?

4.2. Что такое фазовый переход? Виды переходов.

4.3. Что такое двухфазная система в термодинамике?

4.4. Какая зависимость называется «кривой фазового равновесия»?

4.5. Что называется удельной теплотой испарения?

4.6. Что такое испарение, сублимация и конденсация? Опишите изменение внутренней энергии.

4.7. Что включает в себя понятие «химический потенциал фазы»?

4.8. Каковы условия фазового равновесия?

4.9. Объясните, какой знак будет иметь производная dP/dT в таких процессах как испарение, конденсация, плавление.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5.1. Трофимова Т.И. Курс физики / Т.И.Трофимова – М., 2003, 541 с.

5.2. Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб пособие в 3-х т. / Савельев – М., 1992, т.1, 432 с.

5.3. Курс физики: Учебник для вузов в 2-х т. / Под ред. В.Н.Лазовского, СПб, 2001, 576 с.

5.4. Бондарев Б.В. Курс общей физики: Учеб. Пособие / Б.В.Бондарев, Г.Г.Спирин, М., Высш.шк., 2005, 560 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

123