Визначення питомої теплоти фазового переходу першого роду при темпратурі кипіння

Лабораторна робота М-8

Мета роботи -вивчення явища фазового переходу першого роду у процесах пароутворювання і конденсації води.

Переход речовини з однієї фази до іншої може супроводжуватися поглинанням або виділенням тепла. Такі переходи називаються фозовими переходами першого роду. Існують також переходи, які не пов’язані з поглинанням і виділенням тепла. Вони називаються фазовими переходами другого роду. Якщо у процессі фазового переходу тиск підтримується сталим, то температера не змінюється: при цьому у кожному тискові однозначно відповідає температура фазового переходу. Фазовий перехід першого роду кількісно характерезується питомою теплотою фазового переходу. Так перехід рідкої фази у пароподібну характере-зують питомою теплотою пароутворення. Величина , яка чисельно дорівнює кількості тепла, необхідного для перетворення одиниці маси рідини за температури кипіння у пару тієї ж температури, називається питомою теплотою пароутворення. Така ж кількість тепла виділяється у процесі конденсації одиниці маси пари.

У цій роботі питома теплота пароутворення визначається шляхом знаходження питомої теплоти конденсації пари.

Під час випаровування вилітають найбільш швидкі молекули, що спричиняє зменшення температури рідини. Для підтримання сталої температури необхідно надавати енергію зовні. За рахунок кінетичної енергії молекул, що вилетіли з рідини, здійснюється робота, по - перше проти поверхневих сил , де - число молекул в одиниці маси, середня величина поверхневих сил, - вістань на якій діють ці сили. По-друге, проти зовнішнінього тиску, через те, що випаровування супроводжується збільшенням питомого об’єму речовини.Якщо випаровування відбувається за сталого зовнішнього тиску, то робота проти сил зовнішнього тиску дорівнює ( - ), де та - відповідно питомі об’єми пари та рідини (питомим об’єммом називають об’єм, що його займає одиниця маси речовини).Таким чином = + ( - ).

Звідси випливає, що питома теплота пароутворення при збільшенні температури зменшується.Дійсно, з підвищенням температури зростає гутина насиченої пари біля поверхні рідини, що призводить до зменшення (компенсації) сил, що діють у поверхневому шарі і, таким чином, до зменшення першого додана .

Крім цьго, з підвищенням температури зменшується різниця питомих об’ємів ( - ) рідини та пари. За критичної температури питома теплота пароутворення стає рівною нулю.

У цій роботі експкрементально визначається питома теплота пароутворення води при атмосферному тиску.

Основним елементом експерементальної установки є калориметр 1 (рис.1). Він удає з себе металевий циліндр, який вміщено у теплоізолюючий кожух з кришкою для запобігання втрати тепла. До цього кожуха прикріплена стійка 2, на якій при допомозі рухомого кронштейна 3 закріплюється мотор з мішалкою 4 та термометр. В середині колориметра вміщується змієвик 5, який за допомогою зварювання з’єднаний з коробкою – збірником 6, що призначена для збору конденсованої пари(конденсату). Коробка-збірник має вентеляційну трубочку 7. Водяна пара утворюється у кип’ятильнику 8.Нагрівання здійснюється електричною плиткою.

Ідея досліду в тому, що пара при температурі кипіння, проходячи через змійовик та конденсуючись у ньому, віддає тепло калориметру, воді та зануреним у неї деталям.

Складемо рівняння теплового балансу

m₃l+m₂C₂(t₂-q)=(m₁C₁+m₂C₂+K)(q-t₁),

де

K – теплоємність калориметра, мішалки та зануреної частини термометра;

m₁ – маса змійовика,

C₁ – питома теплоємність змійовика,

t₁ – початкова температура калориметра, води та занурених у неї деталей,

q – їх кінцева температура,

m₂ – маса води у калориметрі,

l – питома теплота пароутворення,

m₃ – маса пари, що сконденсувалася,

t₂ – початкова температура пари та сконденсованої води(температура, при якій відбувається конденсація пари),

m₄ - маса змійовика з конденсатом.

Звідси l= .