Визначення теплоти пароутворення рідини

Мета роботи: визначити молярну і питому теплоту пароутворення рідини та зміну ентропії при випаровуванні 1 моль речовини.

ТЕОРІЯ

Молярну теплоту пароутворення рідини знаходять шляхом математичної обробки експериментальної залежності температури кипіння досліджуваної рідини від тиску.

Залежність температури фазового переходу від тиску, а також залежність тиску насиченої пари від температури виражається рівнянням Клапейрона –Клаузіуса:

(1)

де ∆H – теплота фазового переходу, котра не залежить від тиску, а залежить від природи речовини й виду фазового переходу; T – температура фазового переходу;

∆V_M – зміна об'єму системи в процесі фазового переходу;

Для процесів пароутворення – конденсації й сублімації – десублімації ∆V_M = V_{M, г.} - V_{M, ж(т)} » V_{M, м,} тому що V_{M, г.} >> V_{M, ж(т)}. Якщо пара підкоряється рівнянню Менделеева – Клапейрона, то рівняння Клапейрона – Клаузіуса можна записати в наступному виді:

(2)

Однак, для практичного застосування рівняння в диференціальному виді інтегрують

(3)

Після інтегрування (3) одержуємо

(4)

Дане рівняння є рівнянням Клапейрона – Клаузіуса для процесів пароутворення – конденсації в інтегральному виді для двох температур. Рівняння може бути використане для наближеного розрахунку теплоти фазового перетворення за значеннями температури фазового переходу при двох тисках.

Якщо рівняння (3) проінтегрувати невизначеним інтегралом, то одержуємо наступне інтегральне рівняння Клапейрона – Клаузіуса:

(5).

Дане рівняння лежить в основі визначення теплоти фазових переходів графічним методом.

ХІД РОБОТИ

1. Знайомимось з установкою та роботою триходового крану.

2. У склянку набираємо 40 – 50 см³ досліджуваної рідині (наприклад, вода), та отвір замикаємо пробкою з термометром, обгорнутим шаром вати.

3. За допомогою насосу Камовського створюємо розрідження до рівня 150 –250 мм рт. ст.

4. Триходовим краном від'єднуємо систему від насосу Камовського та навколишнього середовища.

5. Перевіряємо систему на герметичність.

6. Вмикаємо нагрівач, та чекаємо поки вода закипить.

7. Як тільки температура кипіння перестала змінятися заносимо її значення та показники манометру до таблиці.

8. Тимчасово з'єднуючи систему з атмосферою за допомогою триходового крану підвищуємо тиск на 50 – 70 мм рт. ст. Очікуємо встановлення нового значення температури кипіння та заносимо данні до таблиці.

9. Ступінчато підвищуючи тиск заносимо нові дані до таблиці.

Тиск у системі розраховуємо враховуючи атмосферний тиск, величина якого під час дослідження складала 750 мм.рт.ст.: P = 750 – (H₁ + H₂), мм.рт.ст.

Заносимо результати експерименту до таблиці:

№	t, 0C	Т, К	1/Т, К-1	H1, мм	H2, мм	P, мм.рт.ст.	ln(P, мм.рт.ст.)
			0,00297				5,106
			0,00291				5,460
			0,00286				5,687
			0,00282				5,872
			0,00278				6,131
			0,00274				6,337
			0,00270				6,551

Обробка експериментальних даних

За даними таблиці будуємо дві залежності P=f(T) і lnP=f(1/T).

Рис. 1.	Рис. 2

Графічним шляхом визначаємо кутовий коефіцієнт побудованої прямої (похідну ). Для цього на прямійвибираємо дві точки; із цих точок опускаємо проекції на осі, і знаходимо їх координати. Знайдені координати точок 1 і 2 мають такі значення:

ln Р ₁=6,469, =2,72∙ 10^-3 К^-1, ln Р ₂=5,252, =2,94∙ 10^-3 К^-1.

Знаходимо похідну:

.

В свою чергу похідна дорівнює .

Звідси обчислюємо значення молярної теплоти пароутворення води:

Розраховуємо питому теплоту пароутворення води:

Висновок: Отримана експериментальна залежністю температури кипіння води від тиску підкоряється рівнянню Клапейрона – Клаузіуса. За цім рівнянням розраховано молярну та питому теплоти пароутворення 45984 Дж/моль та 255,47 кДж/кг.