Лабораторная работа № 3. Исследование зависимости давления насыщенного пара от температуры

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ДАВЛЕНИЯ НАСЫЩЕННОГО ПАРА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

 

1. Цель работы:

а) опытная проверка зависимости давления насыщенного пара от температуры;

б) построение зависимости р_s = f (t_s) и определение нормальной температуры кипения исследуемого вещества.

 

2. Пояснение к работе

Из курса физики известно, что температура кипения жидкости зависит от давления, под которым находится жидкость. С повышением давления температура кипения увеличивается. Для практического использования такие зависимости для веществ представляются в табличных, графических или аналитических формах в виде р_s = f (t_s) или t_s = f (p_s) и называются кривыми парообразования. В научной литературе эти зависимости называют также кривыми упругости. В координатах p-v, T-s и h-s кривая упругости расслаивается с образованием двух ветвей пограничной кривой – насыщенного пара и кипящей жидкости, которые плавно сопрягаются в критической точке. Эта точка является особой точкой на термодинамической поверхности: при давлении, превышающем критическое, явление фазового перехода жидкость – пар не наблюдается, а имеет место непрерывный (перманентный) процесс перехода жидкости в пар. В этом случае (при р>р_кр) при изобарном процессе сжатия газа вещество остается в гомогенном состоянии без расслоения на две фазы – на жидкость и пар. Состояния веществ, ограниченные линиями р = р_кр = idem и Т = Т_кр = idem, а также кривой затвердевания, принято называть флюидами или сильно сжатыми газами. Перевод веществ из этого состояния в газообразное и обратно, если не принято специальных мер, происходит непрерывно, от есть без соответствующего фазового перехода. Снизу кривая упругости ограничена тройной точкой, в которой одновременно сосуществуют в равновесии три фазы (твердая, жидкая и парообразная). В этой точке значения температуры и давления на кривой парообразования являются минимальными.

При давлениях ниже давления тройной точки вещества (р< р_тр) происходит непосредственный процесс фазового перехода вещества из твердого (кристаллического) состояния в парообразное. Этот процесс называется возгонкой или сублимацией. При давлениях р> р_тр, если вещество находится в твердом состоянии, то при его изобарном переходе в парообразное состояние наблюдается два фазовых перехода: плавления (из твердого в жидкое) и парообразования (из жидкого в парообразное состояние).

Третьей важнейшей характеристикой вещества, как рабочего тела энергетических и холодильных установок, является так называемая нормальная температура кипения (t_нк). Это температура кипения вещества при нормальном давлении (760 мм рт. ст. или 1,01325 бар). В зависимости от соотношения между значениями t_нк различают высококипящие и низкокипящие вещества. Низкокипящие вещества используются в качестве рабочих тел холодильных установок (аммиак, фреоны). Высококипящие вещества используются в качестве рабочих тел энергетических установок (вода, ртуть). Ниже в качестве примера приводятся важнейшие характеристики некоторых рабочих тел энергетических и холодильных установок.

Таблица 1

Характерные параметры некоторых рабочих тел энергетических и холодильных установок

 

Наименование вещества	Химическая формула	ркр, МПа	tкр, оС	ртр, МПа	tтр, оС	tнк, оС
Ртуть	Hg	151,0		3.10–9	–38,87	356,95
Вода	H2O	22,115	374,12	6.10-4	0,01	100,0
Ацетон	C3H6O	4,76	235,0	<1мм рт.ст	–93,2	56,1
Аммиак	NH3	11,36	132,25	0,006076	–77,73	-33,35
Фреон R12	C F2 C l 2	4,132	111,8		–155,0	-29,8
Фреон R134a	C2 H2 F4	4,067	101,1		–103,3	-26,1
Фреон R22	C H F2 C l	4,977	96,00		–160,0	-40,8
Диоксид углерода	CO2	7,382	31,04	0,51791	–56,59	–78,47*
Кислород	О2	5,043	-118,57	1,463.10-4	–182,96	–218,8
Азот	N2	3,40	-146,95	0,01253	–210,0	–195,8
Водород	H2	1,316	-239,92	7,2.10-3	–259,2	–252,9
Фреон R125	C H F5	3,621	66,18	2,95.10-3	–100,63	–48,12
Фреон R32	C H2 F2	5,785	78,20	4,75.10–5	–136,81	–51,66
Метан	С Н4	4,626	–82,38	0,01172	–182,47	–161,5
Этилен	С2 Н4	5,052	9,20	1,21.10–4	–169,18	–103,8
Этан	С2 Н6	4.8714	305.33К	1,13 Па	90.348 К	84.57К
Пропан	С3Н8	4.2475	369.85К	1.69.10-4 Па	85.47 К	231.1К
Гелий		0,2275	-267,96			4,224К

 

3. Описание лабораторной установки

В установку (рис. 3) входят:

1 – термостат, служащий для нагрева и поддержания постоянства температуры исследуемого вещества, помещенного в баллон; в качестве термостатирующей жидкости используется вода;

2 – мешалка, предназначенная для выравнивания температуры термостатирующей жидкости по всему объему термостата;

3 – термометр для измерения температуры термостатирующей жидкости;

4 – баллон с исследуемым веществом (ацетоном), соединенный капилляром с U-образным мановакуумметром 5.

 

4. Методика проведения опытов

После ознакомления на месте с расположением отдельных узлов и приборов, а также лабораторной установкой в целом определяем положение менисков термометрической жидкости (воды) в правом и левом коленах мановакуумметра и измеряем начальную температуру воды в калориметре. Затем включаем установка (нагреватель и электромешалку) и через каждые 3 ⁰С определяем и записываем в таблицу положения жидкости в правом и левом коленах мановаккуумметра.

При заполнении таблицы измерений необходимо в графе примечание указывать, какое давление показывает мановакуумметр: разрежение или избыточное: если в левом колене мановакуумметра уровень воды выше, чем в правом, то прибор показывает давление разрежения в баллоне 4 (р_разр), иначе – избыточное давление (р_изб).

 

Рис.3. Схема установки для исследования зависимости давления насыщенного пара от температуры

 

Таблица 2

Измеренные и рассчитанные величины

 

№№ опытов	Температура воды в термостате, ts	Показания мановакуумметра, мм вод. ст.	Атмосферное давление, ратм, мм рт. ст.	Давление насыщенного пара	Примечание
		правое колено	левое колено		мм рт. ст.	бар

 

 

5. Обработка экспериментальных данных

После окончания измерений производим расчеты абсолютных давлений насыщенного пара, которые соответствуют измеренным значениям температуры:

р_s = p_атм + Dh, (1)

где Dh = h_прав – h_лев, мм вод. ст.

В формулу (1) значения Dh подставляются в мм рт. ст. со своим знаком, зависящим от того, какое давление показывает мановакуумметр: разрежение или избыточное.

Напоминаем, что при пересчете следует учитывать следующие соотношения между единицами измерения давлений

1 бар = 750 мм рт. ст.

1 мм рт. ст. = 13,6 мм вод. ст.

Эти соотношения строго справедливы при 0 ^оС и g = 9,808665 м/с². Однако в настоящей лабораторной работе эти зависимости не учитываются.

После окончания расчетов строим график зависимости p_s = f (t_s). При этом значения p_s должны быть представлены в барах, а температура t_s – в ^оС. Масштабы по координатам р и t необходимо выбрать такими, чтобы можно было с достаточной точностью определить нормальную температуру кипения исследуемой жидкости. По результатам выполненной лабораторной работы сделайте вывод – к какому из перечисленных в таблице 1 веществ по своим термическим свойствам приближается исследуемая жидкость.

 

6. Содержание протокола лабораторной работы

6.1. Титульный лист в соответствии с образцом, приведенным в начале методических указаний.

6.2. Схема экспериментальной установки.

6.3. Таблица измерений и расчета измеренных величин.

6.4. Таблица абсолютных давлений насыщенных паров исследуемой жидкости в зависимости от температуры кипения.

6.5. График зависимости p_s = f (t_s).

 

Контрольные вопросы

1. Как называется кривая зависимости p_s = f (t_s)? Изобразите ее в р-Т координатах полностью с указанием других линий фазовых преобразований. Перечислите линии фазовых превращений, укажите положение и охарактеризуйте физические и термодинамические свойства веществ в характерных точках фазовой диаграммы.

2. Изобразите пограничную кривую насыщения реального газа в p-t, p-v и T-v координатах. Как называется p-t диаграмма?

3. Какие приборы и оборудование используются в лабораторной установке? Объясните назначение и принцип их действия.

4. Сколько независимых параметров необходимо задать для указания состояния насыщенного пара и кипящей жидкости? Какими параметрами чаще всего задаются состояния насыщенного пара и кипящей жидкости?

5. Каким физическим состояниям вещества соответствует правая и левая ветви пограничной кривой? Как изменяются (соотносятся между собой) свойства в этих состояниях с ростом температуры и давления?

6. Как называется процесс непосредственного перехода вещества из твердого состояния в парообразное? Приведите примеры практического использования этого явления.

7. Изобразите пограничную кривую веществ в координатах T-s и h-s. Перечислите, укажите и охарактеризуйте особенности состояния веществ в характерных точках на этой кривой.

8. Какое практическое значение имеет зависимость давления насыщенно

го пара вещества от температуры? На какие классы подразделяются вещества в зависимости от значения их температуры нормального кипения? Как относительно друг-друга располагаются кривые парообразования этих веществ?

9. Дайте определение понятию нормальная температура кипения. Что она характеризует? С какой целью её используют?

11. Как (с помощью какой совокупности термодинамических процессов)

можно перевести вещество из твердого агрегатного состояния в парообразное, если р_зад > р_тр? Изобразите возможные варианты в p-v и T-s координатах.

11. Как (с помощью какой последовательности термодинамических про-

цессов) можно перевести вещество из твердого агрегатного состояния в парообразное, если р_зад < р_тр? Изобразите возможные варианты в p-v и T-s координатах.

12. Можно ли вещество, находящееся в твердом состоянии, перевести в парообразное минуя фазовый переход жидкость-пар, если р_зад < р_тр? Ответ обоснуйте при помощи T-s, p-v и h-s диаграмм.

13. Как вещество, находящееся в твердом состоянии при р> р_тр, перевести в парообразное с минимальным числом фазовых переходов? Изобразите ваш вариант в T-s, p-v и h-s координатах.

14. Изобразите изотермический процесс перевода вещества, находящегося в жидком состоянии, в парообразное в p-v и T-s координатах. Какие характерные состояния при этом проходит вещество?

15. Изобразите изобарный процесс перевода вещества, находящегося в жидком состоянии, в парообразное в p-v и T-s координатах. Какие характерные состояния при этом проходит вещество?

16. Какие процессы происходят в лабораторной установке (баллоне) после окончания опытов. Ваши варианты ответа изобразите на T,s диаграмме.