Визначення швидкості випаровування рідини та зміни її ентропії під час випаровування

 

Мета роботи: визначити швидкість випаровування рідини і зміну ентропії під час випаровування.

Прилади: аналітичні терези, секундомір, циліндрична посудина з досліджуваною рідиною.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

Випаровуванням називається перехід речовини з рідкого стану у газоподібний. Вилітаючи з поверхні рідини, молекули мають перебороти сили молекулярного притягання і виконати роботу для подолання зовнішнього тиску. Це здатні зробити лише ті молекули, які мають достатню кінетичну енергію. Тому перехід молекул у пару супроводжується охолодженням рідини. Щоб випаровування відбувалось без зміни температури, до рідини треба підводити тепло. Кількість теплоти, яка необхідна для ізотермічного випаровування одиниці маси речовини, називається питомою теплотою пароутворення. Для етилового спирту вона становить Дж/кг.

Процес випаровування можна характеризувати швидкістю випаровування . Вона чисельно дорівнює масі рідини, що випарувалася з одиниці площі вільної поверхні за одиницю часу

,

(1.11.1)

де т –маса рідини, яка перейшла у пару за час t; d –діаметр циліндричної посудини з досліджуваною рідиною.

Перехід речовини з однієї фази в іншу (плавлення, кристалізація, випаровування, конденсація) називається фазовим переходом. Фазові переходи бувають першого і другого роду. Під час фазових переходів першого роду термодинамічні функції (вільна енергія, внутрішня енергія, ентальпія, ентропія) змінюються стрибкоподібно. Для фазових переходів I-го роду (у нашому випадку випаровування) зміну ентропії можна обчислити за формулою

,

(1.11.2)

де – зміна ентропії; T – абсолютна температура переходу; r – питома теплота випаровування; m – загальна маса рідини, що випарувалася.

Швидкість випаровування етилового спирту настільки значна, що за допомогою аналітичних терезів можна прослідкувати за зменшенням маси рідини з часом та виміряти масу рідини, що випарувалася за час t.

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

 

1. За допомогою аналітичних терезів знайти масу спирту, що випарувалася за кожну хвилину, і обчислити похибки прямих вимірювань.

2. За формулою (1.11.1) обчислити швидкість випаровування.

3. Знайти для величини похибки непрямих вимірювань,узявши при цьому для часу t систематичну абсолютну похибку.

4. Визначити температуру Т за допомогою лабораторного термометра і обчислити зміну ентропії за формулою (1.11.2).

5. Обчислити кількість молекул, що випарувалася б за даної швидкості випаровування з 1 за 1 с

 

,

 

де – молярна маса спирту , – число Авогадро.

6. Всі обчислені і виміряні величини занести в таблицю 1.11.1.

 

Таблиця 1.11.1

№ п/п

U,

, Дж/К

N,

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

 

1. Які похибки експерименту? Пояснити хід виконання роботи.

2. Що таке число Авогадро і яке його значення?

3. Що таке молярна маса і як вона визначається?

4. Дати визначення і навести приклади фазових переходів 1-го і 2-го роду.

5. Дати визначення ентропії.

6. Фізичний зміст ентропії.

 

ЛАБОРОТОРНА РОБОТА №1.12

ВИМІРЮВАННЯ ВОЛОГОСТІ ПОВІТРЯ ПСИХРОМЕТРИЧНИМ МЕТОДОМ І ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОЇ ПСИХРОМЕТРА

 

Мета роботи: визначити відносну вологість повітря.

Прилади і матеріали: гігрометр психрометричний, дистильована вода, барометр.

 

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

Вологість повітря зумовлена наявністю у ньому водяної пари, маса якої може змінюватися як за абсолютною величиною, так і за станом насичення, що характеризуються відповідно абсолютною і відносною вологістю.

Абсолютна вологість повітря m кількісно дорівнює масі водяної пари в грамах, що міститься в 1 повітря за даної температури, тобто її густині. Коли температури невисокі і пара далека від стану насичення (у цьому разі до пари можна застосувати рівняння Клапейрона-Менделєєва), значення абсолютної вологості мало відрізняється від парціального тиску водяної пари у повітрі. Тому прийнято визначати абсолютну вологість також через величину парціального тиску водяної пари і виражати її в одиницях тиску.

Максимальна вологість – це маса або парціальний тиск водяної пари, яка насичує повітря за тієї самої температури. Під відносною вологістю розуміють відношення абсолютної вологості до максимальної.

,

(1.12.1)

де – тиск водяної пари в середовищі за , – тиск насиченої водяної пари за тієї ж температури. Це відношення виражають у відсотках.

Прилади для вимірювання вологості повітря називають гігрометрами (від грец. hygros – вологий). Розрізняють чотири типи гігрометрів: вагові, конденсаційні, волосяні гігрометри та психрометри.

Метод психрометра – найбільш розповсюджений метод вимірювання вологості. Суть його полягає у тому, що коли взяти два однакових нормальних термометри, кулька одного з яких неперервно змочується водою через батист, занурений у скляну посудину з водою, то покази обох термометрів (сухого і вологого) будуть різні. Внаслідок випаровування води з батисту мокрий термометр показуватиме нижчу температуру, ніж сухий. Чим менша вологість повітря, тим інтенсивніше іде випаровування води з батисту і тим менші покази мокрого термометра. Значення показів сухого і мокрого термометрів дають можливість визначити вологість повітря. Психрометричну формулу можна вивести з рівняння теплового балансу для кульки мокрого термометра. Кількість теплоти , передана від повітря у стаціонарному стані (покази мокрого термометра уже встановились) і за відсутності тепловитрат, дорівнює кількості теплоти , потрібної для випаровування води з поверхні батисту площею S, тобто

(1.12.2)

де – коефіцієнт теплообміну; – питома теплота випаровування; – швидкість випаровування з одиниці поверхні. Рівняння (1.12.2) записане для одиниці часу.

З (1.12.2) матимемо

.

Швидкість випаровування можна визначити за законом Дальтона. Для випаровування води з вільної поверхні

,

(1.12.3)

де – коефіцієнт випаровування; H – барометричний тиск; – різниця парціальних тисків водяної пари біля поверхні води та в навколишньому повітрі. Для заданого випадку , де – тиск насиченої водяної пари за температури , – тиск пари у навколишньому повітрі за температури . З (1.12.2) і (1.12.3) маємо рівняння психрометра

,

(1.12.4)

де – стала психрометра. З (1.12.4) можна отримати

.

(1.12.5)

Психрометричний коефіцієнт А сильно залежить від швидкості руху повітря в області малих значень швидкості, а для великих швидкостей змінюється мало.

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

 

1. Зніміть покази за сухим та вологим термометрами.

2. Визначте температуру за термометром з точністю до , вводячи у зазначені покази поправки до термометра, наведені у паспорті на гідрометр. Обчисліть різницю температур за сухим і вологим термометрами. Поправки вводяться шляхом алгебраїчного додавання.

3. За відсутності у паспорті поправок для проведення підрахунків за сухим і мокрим термометрами розрахуйте поправки лінійною інтерполяцією за двома поправками до температур, між якими знаходиться значення термометрів.

4. Визначте відносну вологість повітря за психрометричною таблицею 1.12.1. Шукана відносна вологість буде знаходитись на перетині рядків температури за сухим термометром і різниці температур за сухим і мокрим термометрами.

Таблиця 1.12.1	Психрометрична таблиця (гігрометр ВИТ-1, швидкість аспірації від 0,5 до 1,0 м/с)	Різниця показів термометрів, ˚С	11,0	Відносна вологість, %
10,5
10,0
9,5
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
Покази сухого терм. ˚С

5. За відсутності у таблиці отриманої різниці температур за сухим і мокрим термометрами для визначення вологості застосуйте інтерполяцію. За відсутності у таблиці температури за сухим термометром для визначення вологості застосовуйте інтерполяцію тільки для тих частин психрометричної таблиці, у яких виміри температури за сухим термометром на дають зміни відносної вологості більше, ніж на 1%. Для інших частин таблиці значення температури за сухим термометром округліть до найближчого табличного значення за правилом арифметичного округлення.

ПРИКЛАД ВИЗНАЧЕННЯ