Конструкция экспериментальной установки и порядок проведения экспериментальных работ по определению давления насыщающих паров легкокипящей жидкости при различной её температуре

Лабораторные модели термосифонов представлены в виде герметично запаянных стеклянных трубок, частично заполненных легкокипящей жидкостью (диэтиловым эфиром (С4Н10О). Свободное от жидкости пространство термосифона заполнено парами этой же жидкости.

Для анализа представлены термосифоны, заполненные только диэтиловым эфиром, а также с внесением твердых составляющих (добавок): поваренной соли (NаС1), сернокислой меди (СuSO4) и отрезка шнура из асбеста. Твердые составляющие предназначены для инициации кипения жидкости.

Экспериментальной установки представлена на рис. 4 и собирается студентами перед проведением эксперимента.

Далее сосуду 1 предоставляют возможность охлаждаться и, при этом, следят за показанием термометра 8 и единовременно с этим рулеткой измеряют высоту столба h. Результаты измерений заносят в таблицу лабораторного журнала. Опыты необходимо повторить три раза.

По результатам проведенных исследований строятся графики зависимостей давления Р 11асыщаюпщх паров эфира в смеси с водой от температуры t.

Теоретические сведения

Давление насыщающего пара данной жидкости при данной температуре есть величина постоянная, она изменяется только с изменением температуры.

В табл. 1 приведены значения упругости насыщенных паров некоторых жидкостей при температуре. 20°С.

Таблица 1.

Вещество	Давление насыщающих паров, (в мм рт. ст.)	Давление насыщающих паров, (в Па)
Вода	17,5
Спирт этиловый	44,5
Эфир диэтиловый

Наибольшее давление при данной температуре пар производит в состоянии насыщения. С повышением температуры давление насыщающего пара увеличивается.

Парообразование, происходящее одновременно внутри и с поверхности жидкости, называется гашением. Известно, что кипение происходит при такой температуре, при которой давление насыщающих паров жидкости равно наружному давлению на свободную поверхность жидкости.

Интенсивность парообразования, при одинаковых остальных условиях, зависит от площади поверхности соприкосновения жидкой фазы с газообразной. Отсюда понятно, что объемное кипение является более интенсивным процессом, чем поверхностное кипение.

Установлено, что объемное кипение инициируется различного рода причинами, в том числе зависит от рода материала с которым соприкасается кипящая жидкость, состояния поверхности материала, наличия концентраторов напряжения и т.д.

Учитывая это, можно сделать вывод, что интенсивность кипения жидкости можно искусственно интенсифицировать. (Проверить опытным путем на термосифонах с различными включениями и без них).

Количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости при температуре кипения в пар, называется удельной теплотой парообразования L.

В таблице 2 указаны величины удельной теплоты парообразования для некоторых жидкостей при температуре кипения этих жидкостей под атмосферным давлением:

Таблица 2.

Вещество	Удельная теплота парообразования (в кал / г)
Вода
Аммиак
Спирт
Бензин
Эфир
Сероуглерод
Скипидар
Ртуть

Рис. 4.

Установка включает в себя прозрачный стеклянный сосуд 1, полностью заполненный холодной нейтральной жидкостью (водой) 2. Заполнение водой сосуда 1 рекомендуется проводить под слоем воды чтобы исключить возможность попадания в него пузырьков воздуха. Там же, под слоем воды; сосуд 1 закрывается резиновой пробкой 3, которая затем закрепляется на сосуде посредством проволоки.

С протыканием пробки 3 в сосуд 1 вводится медицинская игла 4 большого проходного сечения. Игла 4 устанавливается в сосуд 1 до упора в его дно.

При помощи шприца с иглой в сосуд 1 с протыканием иглой отверстия в пробке 3, вводится небольшое количество (объемом 1 см³) легкокипящая жидкость (диэтиловый эфир) и красящее жидкое вещество (чернила). При наборе эфира и чернил в шприц необходимо принять меры, чтобы не ввести пузырьки воздуха в сосуд 1.

При этом часть воды из сосуда 1 равная по объему сумме объемов эфира и черты, будет вытеснена через иглу 4 во внешнюю среду. Вода в сосуде 1 примет окраску красителя.

Далее, на вводную часть иглы 4 натягивают и тем самым поло соединяют прозрачную гибкую трубку 5 малого проходного сечения, сосуд 1 устанавливают в широкую прозрачную стеклянную емкость 6 на теплоизолирующую подставку 7, трубку поднимают вверх и закрепляют в вертикальном положении. В емкость 6, с упором на подставку 7 устанавливается термометр 8.

При помощи электроводонагревателя, отдельно, нагревается вода до температуры 80 С. Далее в емкость 6 осторожно вливается горячая вода.

С нагреванием сосуда 1 и его содержимого начинает происходить поверхностное испарение эфира, давление в сосуде 1 начинает возрастать вследствие чего жидкость 2 начнет вытесняться через нижнее отверстие иглы 4 в трубку 5 с подъемом столба жидкости в трубке 5 на некоторую высоту h.

Постепенно, по мере прогревания сосуда 1 со своим содержимым, контролируя высоту столба h и добавляя горячую или холодную воду в емкость б, необходимо добиться такой установившейся температуры в сосуде 1, чтобы жидкость 2 в трубке 5 поднялась на максимально возможную в условиях лаборатории высоту.

Количество теплоты, необходимое для превращения в пар количества жидкости массой т находится по формуле:

Q=L ^. m (1)

По закону Авогадро граммолекулы всех веществ, вне зависимости от их химического состава, в газообразном состоянии при одинаковой температуре и одинаковом давлении занимают равные объемы. Граммолекула любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л.

Па основании уравнения Клапейрона, объединяющего законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:

(Р^.V)/Т = (Ро^.Vо)/273 (2)

где Ро - нормальное давление, Ро = 1 атм;

Vо - нормальный объем, Vо = 22,4 л.

Мысленно видоизменяя экспериментальную установку (рис. 4), можно представить следующий вариант эксперимента (рис. 5).

Рис. 5.

Если бы сосуд 1 имел достаточно большие размеры и вместимость, то при нагревании и испарении одной граммолекулы легкокипящей жидкости, из сосуда 1 в емкость 5 было бы поднято и перемещен объем жидкости, равный объему пара, образовавшегося в результате испарения одной граммолекуле легкокипящей жидкости.

Давление Р паров в сосуде 1 связано с высотой столба h и находится по формуле:

Р = Ро + ρ1^. g ^. h, (3)

где ρ 1 - плотность основной жидкости в сосуде 1;

g - ускорение свободного падения (g =9,81 м/с).

Тогда объем поднятой жидкости V можно определить по формуле (2), а массу m1 - по формуле:

m1= ρ1 ^. V (4)

Поскольку путь поднятой жидкости равен высоте h, выполненную полезную работу можно оценить по формуле:

А1 = m1^. g ^. h (5)

С другой стороны, количество тепла, необходимое для испарения одной граммолекулы легкокипящей жидкости, можно определить по формуле (1).

Колличество же теплоты, необходимое для нагревания этой же граммолекулы до заданной температуры, определяют исходя из удельной теплоемкости вещества по формуле:

Q = c1^.m^.(t2-t1) + L (6)

где c1 - удельная теплоемкость вещества;

t2,t1 - начальная и конечная т-ры нагрева легкокипящей жидкости.

В таблице 3 представлены средние значения удельной теплоемкости для некоторых веществ

Таблица 3

Вещество	Удельная теплоёмкость (в кал / (г^.град)
Вода	3,41
Гелий	1,26
Спирт	0,58
Эфир	0,56
Керосин	0,51
Лёд	0,48
Воздух	0,24
Алюминий	0,22
Стекло	0,19
Алмаз	0,12
Железо	0,11
Медь	0,09
Серебро	0,05
Ртуть	0,03
Олово	0,05
Свинец	0,03
Скипидар
Ртуть

Учитывая, что:

1 кал = 4,1868 дж, или 1ккал = 1/860 квт можно найти работу А2 (в джоулях), затраченную на подъем жидкости на высоту h.

Коэффициент полезного действия, в процентах, находится как отношение полезной работы к затраченной по формуле:

ŋ-(А1/А2)^.100% (7)

По результатам полученных данных, с учетом потерь, имеющих место в механической системе, необходимо сделать вывод, учитывая то, что солнечная энергия является даровой.

Дата добавления: 2015-07-19