2020-05-21
629Цель работы: Определить удельную теплоту парообразования воды и сравнить с табличным значением
(Данные по работе брать в таблице в конце описания работы)
Теория
Содержание и метод выполнения работы. Удельная теплота парообразования воды определяется по изменению ее уровня в сосуде при выкипании.
Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплообменом, или теплопередачей. В процессе теплообмена тело может либо принимать, либо отдавать энергию, которая называется количеством теплоты.
Чтобы тело массой m1 нагреть от начальной температуры t1 до конечной температуры t2, необходимо затратить количество теплоты Q1 = cm1(t2 – t1), где c – удельная теплоемкость вещества. Для превращения жидкости массой m2 в пар при постоянной температуре ей необходимо передать количество теплоты Q2 = Lm2, где L – удельная теплота парообразования.
Пусть вода нагревается электрокипятильником и вся работа электрического тока идет: 1) на нагревание воды от начальной температуры t1 до температуры кипения t2; 2) на последующее превращение некоторой массы Dm воды в пар. Тогда, согласно закону сохранения энергии, для этих двух процессов можно записать:
| Pt1 = cm1(t2 – t1); Pt2 = LDm, | (1) (2) |
где P – мощность кипятильника, c = 4190 Дж/(кг • К) – удельная теплоемкость воды, m1 – первоначальная масса воды, t1 – начальная температура воды, t2 = 100 °С – конечная температура воды, t1 – время нагревания воды до температуры t2, L – удельная теплота парообразования воды, Dm – масса испарившейся воды, t2 – время, в течение которого вода массой Dm превратилась в пар.
Если вода находится в цилиндрическом сосуде, то ее массу можно определить по формуле:
m1 = rV1 = rSh1, (3)
где r = 1000 кг/м3 – плотность воды, h1 – начальный уровень воды (рис. а), S – площадь дна сосуда. Аналогично можно определить массу воды, которая останется после испарения:
m2 = rV2 = rSh2, (4) 
где h2 – уровень оставшейся воды (рис. б). Решая систему уравнений (1)–(4) и учитывая, что Dm = m1 – m2, получим формулу для вычисления удельной теплоты парообразования воды:
Оборудование: цилиндрический сосуд (внутренний стакан калориметра); сосуд с водой; электрокипятильник; термометр; часы с секундной стрелкой; линейка с миллиметровыми делениями; лист поролона, скотч.
Ход работы
1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений.
2. Налейте в цилиндрический сосуд воду и измерьте ее температуру t1 и начальный уровень h1.
3. Осторожно, соблюдая безопасность, опустите в воду кипятильник, включите его и измерьте время t1, в течение которого вода нагреется до температуры t2 = 100 °С и начнет кипеть.
4. Дайте воде покипеть в течение некоторого времени t2, после чего выключите кипятильник.
5. Измерьте уровень h2 оставшейся в сосуде воды.
6. Удельную теплоту парообразования воды рассчитайте по формуле (5).
7. Сравните полученный результат с табличным значением и рассчитайте погрешность измерений.
Дополнительное задание. Используя предложенное оборудование, рассчитайте массу испарившейся воды и количество теплоты, которое пошло на ее испарение.
Пример решения задачи:
В закрытом сосуде объемом 300 л находится воздух при давлении8 бар и температуре20оС. Какое количество тепла необхо-димо подвести для того, чтобы температура воздуха поднялась до120оС? Задачу решить, принимая теплоемкость воздуха постоянной, атакже учитывая зависимость теплоемкости от температуры. Опреде-лить относительную ошибку, получаемую в первом случае.
Решение: Пользуясь уравнением состояния, определяем массу воз-духа, находящегося в сосуде:
Задача для самостоятельного решения:
В сосуде объемом300 л находится кислород при давлении 2 бар и температуре 20оС. Какое количество тепла необходимо под-вести, чтобы температура кислорода повысилась до 300оС? Какое давление установится при этом в сосуде? Зависимость теплоемкости от температуры принять нелинейной.
Контрольные вопросы
1. Удельная теплоемкость ртути 120 Дж/(кг • К), удельная теплота ее парообразования 0,29 МДж/кг. Что это значит физически?
2. Какие потери энергии были допущены при проведении работы и как их можно было бы избежать?
| h1 (м) | h2 (м) | t1 (0С) | t2 (0С) | τ1(с) | τ2 (с) |
| 0,258 | 0,255 | 20 | 100 | 240 | 300 |
