Определение коэффициента диффузии паров воды в воздухе методом горизонтальной трубки

Оборудование: микроскоп «МИР-2», стеклянная трубка диаметром меньше 1мм, секундомер.

Вопросы к допуску:

1.Какое из явлений переноса изучается в данной лабораторной работе? В чем оно заключается?

2. На каком законе основывается определение коэффициента диффузии в данной лабораторной работе?

3. По какой формуле определяется коэффициент диффузии?

4. В каких единицах выражается коэффициент диффузии?

 

Содержание и метод выполнения работы

Берется стеклянная трубочка диаметром меньше 1мм. Трубка заполняется исследуемой жидкостью так, чтобы жидкость находилась от одного из краев на расстоянии 1-1,5см. Другой конец трубочки замазывается пластилином. С помощью микроскопа определяют расстояние от открытого края трубки до жидкости (рис.3.3) и наблюдают в микроскоп за краем жидкости в течение 20-25 минут. Отмечают на шкале микроскопа число делении, на которое уменьшился уровень жидкости за это время.

Известно, что скорость испарения жидкости при не зависит от диффузии паров в воздухе. Зная изменение массы жидкости вследствие ее испарения за какой-то промежуток времени, можем определить коэффициент диффузии паров жидкости в воздухе. Из уравнения Фика получим:

, (3.4)

– масса паров воды, переносимая за чет диффузии через площадку (поперечное сечение трубки)за время . Эта масса равна массе воды, испарившейся за время , Поэтому , тогда выражение (3.4) запишется:

,

откуда коэффициент диффузии:

. (3.5)

Найдем значение градиента плотности паров воды:

,

и подставим его в выражение (3.5). Тогда окончательно:

,

где – плотность жидкости при комнатной температуре, – расстояние, на которое перемещается уровень жидкости вследствие испарения и диффузии за время , – расстояние, на которое перемещается уровень жидкости вследствие испарения и диффузии за время , – расстояние от открытого конца стеклянной трубки до уровня жидкости в начале эксперимента, – плотность насыщенного пара при точке росы, т.е. абсолютная влажность, – плотность насыщенного пара при комнатной температуре.

Порядок выполнения работы

1. Установить трубку горизонтально, предварительно заполнив ее исследуемой жидкостью. Заполняют ее следующим образом: опустить один конец в сосуд с жидкостью и дождаться момента, когда трубка заполнится до уровня, расположенного от другого конца трубки на расстоянии .

2. С помощью микроскопа измерить расстояние .Включить секундомер и отсчитывать время до того момента, когда будет заметно значительное смешение уровня жидкости.

3. Абсолютную влажность определить при помощи гигрометра или психрометра.

4.Плотность насыщенного пара и плотность исследуемой жидкости при комнатной температуре определяется по таблице.

 

Контрольные вопросы

1. Объяснить механизм возникновения явления диффузии в газах.

2. Что называется диффузионным потоком молекул вещества?

3. Что называется плотностью диффузионного потока молекул?

4. Физический смысл коэффициента диффузии.

5. Чем отличается механизм явлений переноса в газах и жидкостях?

6. Объясните явление самодиффузии и взаимодиффузии.

 

IV. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ

При рассмотрении реальных газов – газов, свойства которых зависят от взаимодействия молекул, надо учитывать силы межмолекулярного взаимодействия. Они проявляются на расстояниях и быстро убывают при увеличении расстояния между молекулами. Такие силы называются короткодействующими.

Между молекулами вещества одновременно действуют силы притяжения и отталкивания. На рисунке 4.1(а) приведена качественная зависимость сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния между молекулами, где и – соответственно силы отталкивания и притяжения, а их результирующая. Силы отталкивания считаются положительными, а силы притяжения – отрицательными.

На расстоянии результирующая сила , т.е. силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга. Таким образом расстояние соответствует равновесному расстоянию между молекулами, на котором бы они находились в отсутствие теплового движения. При < преобладают силы отталкивания >0), при r> – силы притяжения (F<0). На расстояниях > межмолекулярные силы взаимодействия практически отсутствуют (F®0).

Элементарная работа dА силы при увеличении расстояния между молекулами на совершается за счет уменьшения взаимной потенциальной энергии молекул П т. е.:

. (4.1)

Из анализа качественной зависимости потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними (рис.4.1.б) следует, что если молекулы находятся друг от друга на расстоянии, на котором межмолекулярные силы взаимодействия не действуют (r®¥), то П=0. При постепенном сближении молекул между ними появляются силы притяжения (F<0), которые совершают положительную работу (dA=Fdr>0). Тогда согласно (4.1)потенциальная энергия взаимодействия уменьшается, достигая минимума при . При r< c уменьшением силы отталкивания (F>0) резко возрастают и совершаемая против них работа отрицательна (dA=Fdr<0). Потенциальная энергия начинает тоже резко возрастать и становится положительной. Из данной потенциальной кривой следует, что система из двух взаимодействующих молекул в состоянии устойчивого равновесия обладает минимальной потенциальной энергией.

Критерием различных агрегатных состояний вещества является соотношение между величинами П_min и kT. П_min – наименьшая потенциальная энергия взаимодействия молекул – определяет работу, совершаемую против сил притяжения, чтобы разъединить молекулы, находящиеся в равновесии, – средняя энергия, приходящаяся на одну степень свободы хаотического движения молекулы.

При П_min<<kT – вещество находится в газообразном состоянии, при П_min>>kT – вещество находится в твердом состоянии, а при П_min»kT – в жидком состоянии.

 

ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА

Воздух как свободной атмосферы, так и закрытого помещения всегда содержит водяные пары. Степень насыщения воздуха водяными парами, или влажность воздуха, оказывает большое влияние на жизненные процессы. Длительное пребывание живого организма в микроклимате с отклоняющейся от нормы влажностью может привести к неблагоприятным физиологическим изменениям. Поэтому изучение и определение влажности очень важно биологии.

Влажность – количество паров воды, содержащихся в воздухе можно характеризовать плотностью паров, т.е. их массой в единице объема. С другой стороны, наличие водяного пара обусловливает определенное давление пара (парциальное давление), выражаемое часто в мм.рт.ст., следовательно, влажность может быть измерена в мм. рт.ст.

Для числовой характеристики влажности воздуха употребляются следующие понятия:

1. Абсолютная влажность d – количество водяного пара, содержащегося в воздуха при данной температуре. Выражается абсолютная влажность в единицах плотности (г/м³) или в единицах давления (Па, мм.рт.ст.).

2. Максимальная влажность D – количество водяного пара, который мог бы насытить воздуха при данной температуре, (находится по таблицам). Максимальная влажность также измеряется в г/м³, Па или мм.рт.ст.

3. Относительная влажность f – отношение абсолютной влажности к максимальной при той же температуре: . Относительная влажность показывает степень насыщения воздуха водяными парами, измеряется в процентах.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7