Свойства насыщенных паров (лаб. 23)

-1-
Работа №23
Свойства насыщенных паров.
На поверхности жидкости всегда происходит одновременно два процесса:
испарение и конденсация. Если эти процессы идут в замкнутом пространстве, то
скорости испарения и конденсации например, воздухом выравнивается, и между
жидкой и газообразной фазами выступает динамическое равновесие. Пар,
находящийся в равновесии с жидкостью, называется насыщенным. Иначе говоря,
жидкость не может существовать сама по себе, то есть в совершенно пустом
пространстве. Поверхностная пленка жидкости только может разделить две фазы
одного и того же вещества. С ее внешней стороны должно находится это же
вещество в виде насыщенного пара, чистого или в смеси с другими газами,
например, воздухом.
Легко показать, что плотность насыщенного пара сильно зависит от
температуры. Действительно, испарение обусловлено вылетом из жидкости
молекул, кинетической энергии которых достаточно для преодоления сил
межмолекулярного сцепления. По закону Больцмана n=n0 e-w/kt
число молекул с
энергией W с повышением температуры растёт экспоненциально. Следовательно, с
ростом температуры скорость испарения должна также быстро, по
экспоненциальному закону, возрастать. Скорость же конденсации молекул /
скорость влета молекул в жидкость / определяется средней скоростью их
движения, которая пропорциональна T1/2 . Поэтому скорость конденсации с ростом
температуры возрастает значительно медленнее скорости испарения. В результате,
с повышением температуры сильно возрастает плотность, а поэтому и давление
насыщенного пара.
Давление насыщенного пара Pн зависит только от температуры и его природы,
совершенно не зависит от объёма. Зависимость давления пара от температуры
дается уравнением Клайперона - Клаузиса dPн
dT

L
T (Vn  Vж )
-2где L молярная теплота испарения, Vn и Vж молярные объёмы пара и жидкости
при данной температуре T. Зная зависимость Pн (T), можно достаточно точно
определить величину L
т. к. Vn >> Vж ( для температур далёких от критического ), то dPН
dT

L
TVn
Ошибка, допущенная при пренебрежении объёма жидкости в сравнении с объёмом
пара невелика. Чтобы найти объём моля пара, применим к нему уравнение
Клайперона - Менделеева, строго применимое лишь к идеальным газам
Vn 
RT
Pн
Однако в условиях нашей работы из-за малой плотности пара та ошибка будет
значительно меньше экспериментальных ошибок. Таким образом
L
RT 2 dPн
PН dT
Эксперимент
При равенстве давления насыщенного пара внешнему давлению на жидкость,
жидкость начинает кипеть. В работе измеряется температура кипения жидкости
при разных давлениях. Это даёт возможность найти зависимость давления
насыщенного пара от температуры. Pн (T)
Приборы и принадлежности.
1. Установка для определения давления насыщенного пара.
2. Водяная баня.
3. Термометр.
4. Манометр.
5. Балластная ёмкость.
6. Ловушка.
7. Насос Комовского.
-3Исследуемая жидкость налита в сосуд 1. Для облегчения закипания жидкости в
сосуд положены кусочки капилляров или пробки. Сосуд 1 погружен в водяную
баню 2 с водой, которая подогревается электроплиткой 3. Водяной холодильник 4
служит для вдавливания паров кипящей жидкости. Ртутный манометр 5 показывает
разность атмосферного давления и давления внутри установки. Поэтому давление
внутри установки равно Pн=Pатм –(h1-h2). Большой сосуд 6 представляет собой
добавочную ёмкость, служащую для более плавного изменения давления при
откачке. Ловушка предохраняет насос от попадания в него загрязнении из прибора.
Кран 7 соединяет установку с атмосферой.
Выполнение работы.
1. Залить исследуемую жидкость (около 100 мл) в сосуд 1. Положить туда кусочки
пробки или капилляров.
2. Пустить воду из водопровода в холодильник 4.
3. Подогреть воду в водяной бане до 94-95С. При достижении той температуры
нагреватель выключить.
4. При температуре 94С начать откачку воздуха из установки. В момент закипания
манометра. Такие измерения проводить при охлаждении через каждые два градуса.
Закончить измерения при температуре 54С . Результаты занести в таблицу.
5. Построить график зависимости Pн(T) и определить для пяти температур
величину
dPн
dT
6. Рассчитать теплоту испарения жидкости L для этих температур, построить
график зависимости L(T)
Таблица
№
Показание термометра
0
tC
1.
94
2.
92
3.
90
4.
88
5.
86
0
Tk
Показание манометра
h1
h2
Pатм
Pн
dPн
dT
L
-4Литература
Радченко. Молекулярная физика. 17.1, 17.2.
Кудрявцев. Курс физики. Теплота и молекулярная физика. Гл.2, п 17.
Перельман. Занимательная физика. Кн. 2, стр. 155-161.
Вопросы.
1.На что расходуется подводимая к жидкости теплота?
2.Почему зависит от температуре и при какой температуре
=0?
3.Вычислить изменение энтропии при испарении
4.Уметь получить уравнение Клаперона - Клаузиса и объяснить диаграмму
состояния воды