Методичка: Лабораторный практикум по молекулярной физике

№              ,

кг,

кг,

W1,

W2,

c1,

m1,

кгm2,

кгt1,

Кt2,

Кθ1,

Кθ2,

Кc2,

Δc2,

N,

Контрольные вопросы

1.      Ход выполнения работы.

2.      Внутренняя энергия идеальных и реальных газов и жидкостей.

.        Теплоемкость и удельная теплоемкость идеальных газов, реальных газов и жидкостей.

Литература

1.      Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976. 480 с.

.        Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.II. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, 1990. 592 с.

Лабораторная работа № 12

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ КАЛОРИМЕТРОМ

Принадлежности: специальная установка, парообразователь, электроплитка, калориметр, термометр, технические весы с разновесами.

Цель работы: ознакомление с процессом парообразования и методом определения удельной теплоты парообразования.

Теория. Процессы, связанные с переходом вещества из жидкой фазы в газообразную и обратно, очень распространены в природе и технике, поэтому изучение их особенностей имеет большое практическое значение.

Переход вещества из конденсированной (жидкой или твердой) фазы в газовую называется парообразованием. Различают следующие виды парообразования: испарение (парообразование со свободной поверхности жидкой фазы, в случае твердого тела - сублимация) и кипение (парообразование, которое происходит не только со свободной поверхности жидкости, но и внутри самой жидкости).

Рассмотрим процесс кипения жидкости. Нальём в стеклянный сосуд воду, опустим в неё термометр и проследим за её нагреванием до кипения. Чтобы могло происходить испарение, необходимо наличие поверхностного раздела, т.е. пустое пространство над жидкостью. Однако эту поверхность можно получить и внутри жидкости, так как любая жидкость способна в той или иной мере поглощать газы. При нагревании растворённые в жидкости газы начинают выделяться в виде пузырьков. Пузырьки внутри жидкости могут существовать в том случае, если давление пара в них равно или чуть больше внешнего давления, при котором находится жидкость. Внутрь пузырьков идет испарение. Когда давление внутри пузырьков становится равным давлению над поверхностью жидкости, пузырьки выходят на поверхность жидкости и, лопаясь, выбрасывают пар. Это явление называется кипением жидкости.

Итак, кипение жидкости наступает в том случае, когда температура всей жидкости одинакова, а давление насыщенного пара этой жидкости разно внешнему давлению на её поверхность.

Опыт показывает, что во время кипения жидкости её температура остается неизменной, а вся энергия, получаемая жидкостью от нагревателя, затрачивается на превращение жидкой фазы вещества в газообразную. Количество теплоты, необходимое для превращения в пар единицы массы жидкости, находящейся при температуре кипения, называется удельной теплотой парообразования (испарения):

.

физический величина измерение погрешность

Удельная теплота парообразования вещества равна удельной теплоте конденсации. При конденсации происходит выделение теплоты.

Температура, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению на её поверхность, называется температурой кипения жидкости, так как при этой температуре происходит кипение.

Описание прибора и теория метода. Рассмотрим, как экспериментально определяют теплоту парообразования вещества, например, воды (рис.1).

Пар, образующийся в колбе (парообразователе) 2 при кипении воды, по трубке поступает в расширение 3, где осаждаются вылетевшие с паром капельки воды, а затем дальше по трубке поступает в калориметр 4. Калориметр (от лат. calor - тепло и греч. metreo - измеряю) в настоящей работе, это - металлический стакан, снабженный термометром и мешалкой, с внешним пластмассовым кожухом; для уменьшения потерь за счет теплопроводности между стаканом и внешним кожухом оставлен воздушный промежуток.

Пусть масса внутреннего стакана калориметра mK, масса воды в нем mВ, их температура t1 (комнатная). Водяной пар с температурой t2, попав в воду калориметра конденсируется и внутренний стакан калориметра с водой нагревается до температуры q. Масса водяного пара mП, сконденсировавшегося во внутренним стакане калориметра, определяется путём взвешивания внутреннего стакана калориметра после опыта.

Расчёт удельной теплоты парообразования воды L производится с помощью уравнения теплового баланса, которое составляется следующим образом. Нагревались, т.е. получали теплоту во время опыта внутренний стакан калориметра и находившаяся в нем вода:

ПОЛУЧ = QК +QВ

или

ПОЛУЧ = сКmК(q - t1) + сBmB(q - t1),                              (1)

где сК и сB - соответственно удельные теплоемкости внутреннего стакана калориметра и воды.

Отдавали теплоту пар при конденсации и образовавшаяся из него вода при остывании от температуры t2 до q. Пар при его конденсации в жидкость отдает теплоту QПК=LmП, где L - удельная теплота парообразования воды. Остывающая вода, получившаяся при конденсации пара, отдает теплоту QПВ= сBmП(t2-q). Следовательно:

ОТДАН =QПК + QПВ = LmП + сBmП(t2-q).           (2)

Так как процесс происходит в калориметре, т.е. без теплообмена с окружающей средой, уравнение теплового баланса имеет вид

QПОЛУЧ.= QОТДАН или QК +QВ= QПК + QПВ

или   LmП + сBmП(t2 -q) = сКmК(q -t1) + сBmB(q -t1).              (3)

Из этого уравнения находим, что

.                                   (4)

Порядок выполнения работы

1.      Взвесить пустой внутренний стакан калориметра, т.е. определить mК.

2.      Налить в стакан калориметра воду до половины объема и взвесить, т.е. определить массу калориметра и воды вместе, т.е. m=mК +mВ. Отсюда mВ= m - mК, т.е. определяется mВ.

.        При помощи термометра определить температуру воды в калориметре и самого калориметра, т.е. найти t1.

.        Установить парообразователь 2 на электроплитку 1 и включить её в сеть 220 В.

5.      Температуру кипения воды t2 определить из таблицы зависимости температуры кипения от давления. Давление определить по лабораторному барометру. (Температуру кипения воды можно определить и по формуле t2=1000C - 0,0375(760 - H), где Н - атмосферное давление в помещении во время опыта.)

6.      Опустить трубку от парообразователя 2 в воду калориметра 4 и пропускать пар через воду. Когда температура воды повысится на 5-100С по сравнению с комнатной, остановят пропускание пара (для этого парообразователь снимается с электроплитки) и записывают максимальную температуру воды калориметра. Эта температура будет последней температурой q воды и калориметра.

7.      Взвесить внутренний стакан калориметра с водой, через которую пропускали пар, т.е. находится общая масса калориметра, воды и воды, которая сконденсировалась из пара, т.е. mК + mВ + mП = mОБЩ. Естественно, что масса пара mП, равна массе воды mПВ, сконденсировавшейся в калориметре.

8.      Найти массу mП по формуле mП=mОБЩ - mК - mВ.

9.      Удельные теплоемкости материала калориметра сК и воды сВ взять из таблиц.

.        По формуле (4) вычислить удельную теплоту пapooбразования L.

11.    Опыт производить не менее трёх раз. Определить среднее значение L, абсолютные (ΔL) и относительные (N) погрешности эксперимента. Полученные данные занести в таблицу:

№              сК, сВ,

mК,

кгmВ,

кгmП,

кгt1,

Сt2,

Сq,

СL,

DL,

(DLср/Lср)∙100,

.        Написать окончательный результат в виде L=Lср±ΔLср.

Контрольные вопросы

1.      Чем отличается кипение от испарения?

2.      Что называется теплотой парообразования?

.        Что называется удельной теплотой парообразования и в каких единицах она измеряется?

.        Может ли кипеть вода при 20 0C?

.        Испаряются ли твёрдые тела?

.        Можно ли охлаждением заставить воду кипеть?

.        От каких условий зависит скорость испарения жидкости?

Литература

1.      Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976. 480 с.

2.      Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.II. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, 1990. 592 с.

Лабораторная работа № 13

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА МЕТОДОМ ПСИХРОМЕТРА

Принадлежности: психрометр, стакан с дистиллированной водой.

Цель работы: ознакомление с понятиями абсолютной и относительной влажности, а также с принципом работы психрометра, определение влажности воздуха психрометром.

Введение. Так как Земля на 2/3 покрыта водой, то в состав атмосферы входит водяной пар, и все процессы в жизни и в технике, связанные с испарением воды, зависят от состояния водяного пара в воздухе. Оказывается, что в течение года в атмосферу Земли испаряется около 4,25·1014 т воды с поверхностей океанов, морей и др., и около 1/4 этой воды выпадает в виде осадков на сушу. Конечно, количество водяных паров в воздухе везде различно. Вблизи морей и океанов воздух более влажный, чем в глубине материков.

Влажность воздуха оказывает большое влияние на организм человека, животных, на деревянные, металлические изделия и на всю окружающую среду в целом.

Если воздух, окружающий Землю, охладится ниже точки росы, то может образоваться туман, облака, роса или иней в зависимости от условий их образования. По влажности воздуха можно предсказать погоду, которая имеет большое значение в деятельности человека. Степень влажности воздуха имеет большое влияние на многие процессы, протекающие на Земле, например, на развитие флоры и фауны, на урожай сельскохозяйственных культур, на продуктивность животноводства. Не меньшую роль играет влажность и во многих отраслях современной техники, например в процессах сушки и хранения готовых изделий и т.д.. Следовательно, измерение и регулирование влажности имеет большое практическое значение.

Теория. Одной из основных частей воздуха является водяной пар, который обычно присутствует в воздухе в значительно меньшем количестве, чем нужно для насыщения.

Пар называется насыщенным, когда число возвращающихся в жидкость молекул равно числу молекул, покидающих жидкость за тот же промежуток времени (динамическое равновесие). Давление пара, если он насыщен, называется давлением насыщенного (насыщающего) пара (или иногда просто давлением пара).

Величина, характеризующая содержание водяных паров в воздухе, называется влажностью воздуха. На практике различают абсолютную и относительную влажность воздуха. Количество (масса) водяных паров в граммах, содержащихся в 1 м3 воздуха, называется абсолютной влажностью воздуха ρ. Т.е. она выражается в г/м3. Отношение абсолютной влажности воздуха к тому количеству водяного пара, которое необходимо для насыщения 1 м3 воздуха при данной температуре, называется относительной влажностью r. Она выражается в процентах. Таким образом, относительная влажность характеризует степень насыщения воздуха водяным паром.

Относительную влажность воздуха измеряют числом, показывающим, сколько процентов составляет абсолютная влажность ρ от плотности водяного пара ρН, нужной для насыщения воздуха при имеющейся у него температуре:

                                                    (1)

Оказывается, что относительную влажность воздуха можно определять по давлению паров, так как практически давление пара пропорционально его плотности. Поэтому r можно определять как отношение давление водяного пара р, содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного водяного пара рН при данной температуре:

                                                    (2)

Таким образом, относительная влажность определяется не только абсолютной влажностью, но и температурой воздуха. Давления насыщенного водяного пара при различных температурах тщательно измерены, и на основе этих измерений составлены таблицы (см. табл.1), поэтому значение рН берут из таблиц, а значение р находят из опыта и по формуле (2) вычисляют относительную влажность.