Описание установки и метода измерений

Фазой называется однородная часть вещества, имеющая границу с другими частями системы, в которой она находится, и которая может быть определена от этой системы. Переход вещества из одного фазового состояния в другое называется фазовым переходом. Фазовый переход первого рода всегда сопровождается поглощением или выделением теплоты Q и изменением удельного объема υ = V / m и молярного объема вещества μυ = V / ν, где ν = m / M – число молей; m – масса; μ – молекулярная масса вещества.

Поскольку количество теплоты зависит от массы вещества, претерпевающего фазовый переход, для характеристики процесса используется удельная теплота перехода q, отнесенная к единице вещества

q = Q / m, (1)

и молярная теплота перехода mq, отнесенная к одному молю вещества

mq = Q / ν. (2)

При постоянном давлении фазовый переход всегда проходит при определенной температуре, называемой температурой перехода, при которой возможно термодинамическое равновесие фаз при данном давлении. Для рассмотрения фазового перехода «жидкость-пар» обратимся к изотермам, построенным для нескольких значений температуры (Т₁, Т₂) на р - V –диаграмме (рис. 10).

Рис. 10.

Горизонтальные участки изотерм отвечают областям фазового перехода. В процессе перехода молярный объем скачкообразно изменяется от величины μυ₁,что соответствует молярному объему жидкой фазы, до величины μυ₂, что соответствует молярному объему газообразной фазы.

Интервал μυ₁ - μυ₂ представляет собой область двухфазного состояния (жидкость-пар) вещества. Среди всех возможных температур есть одна, называемая критической температурой Т_кр, при которой горизонтальный участок изотермы, отвечающий фазовому переходу, вырождается в точку перегиба. При температуре вещества, больше критической, исчезает разница между паром и жидкостью, а вещество ни при каком давлении невозможно перевести из газообразного в жидкое состояние. За областью фазового перехода состояние реального вещества в жидкой и газообразной фазах точно описывается уравнением Ван-дер-Ваальса, которое для одного моля газа имеет вид

,

где параметры а и b введены для учета потенциального взаимодействия между молекулами и собственного объема молекул газа. Изотерма, описываемая уравнением Ван-дер-Ваальса на Р-V-диаграмме для температуры Т₁, изображена на рис. 10 штрихпунктирной линией.

Для вычисления изменения давления насыщенного пара в зависимости от температуры проведем для одного моля вещества цикл Карно, в который входят горизонтальные участки изотерм реального вещества АВ и CD (рис. 10). Пусть Р₁ = Р, Р₂ = Р + dP, Т₁ = Т, Т₂ = Т + dТ. Выполненная за цикл работа δA равна площади этого цикла на Р-V-диаграмме, а сам цикл, учитывая близость изотерм его образующих, можно приближенно считать параллелограммом.

Тогда

δA = (μυ₂ - μυ₁)dP.

В ходе изотермического фазового перехода (участок АВ) вещество получает от нагревателя количество теплоты, равное молярной теплоте перехода μq. Поэтому КПД цикла можно записать в виде

. (3)

Поскольку рассматривается цикл Карно, КПД этого цикла можно также записать, используя теорему Карно

. (4)

Приравняв выражения (3) и (4), получим уравнение Клапейрона-Клаузиуса

. (5)

Его можно использовать для определения теплоты парообразования жидкости. Учитывая, что при температурах, далеких от критической, υ₂ >> υ₁, получаем

. (6)

На участках невысоких давлений к пару можно применить законы идеального газа, а тогда удельный объем υ₂ можно определить из уравнения Клапейрона-Менделеева

. (7)

Подставляя значение υ₂ из формулы (7) в (6), получим

. (8)

Считая величину q постоянной для исследуемого интервала изменения температуры, проинтегрируем уравнение (8)

. (9)

Полученная формула устанавливает связь между молярной теплотой парообразования воды, давлением и температурой водяного пара. Изменяя температуру пара Т, необходимо построить график зависимости ln P = f(1 / T), по угловому коэффициенту которого K_α = (μ q) / R можно определить молярную теплоту парообразования воды.

Для определения теплоты парообразования воды предназначена экспериментальная установка ФПТ1-10, общий вид которой показан на рис. 11.

Рабочий элемент установки представляет собой стеклянную ампулу с исследуемым веществом (в данной работе используется вода), из которой откачан воздух до давления минус 55… минус 69 кПа (минус 0,6… минус 0,7 кг/см³), размещенную в термостате 4. Ампула соединена с вакуумметром 5, показания которого Р соответствуют разности между атмосферным давлением в лаборатории Р₀ и давлением водяного пара в ампуле Р_п, следовательно Р_п = Р₀ – Р.

Температура пара измеряется цифровым термометром, датчик которого находится в термостате, и регистрируется на цифровом индикаторе «Температура» блока рабочего элемента 2. Погрешность измерения температуры 5 %. Для нагрева ампулы с исследуемой жидкостью в термостате, заполненном водой, находится нагревательный элемент, выполненный из нихромовой спирали, помещенной в трубку из кварцевого стекла.

Рис. 11. Общий вид экспериментальной установки ФПТ1-10:

1 – блок приборов; 2 – блок рабочего элемента; 3 – стойка;

4 – термостат; 5 – вакуумметр

Для получения достаточной точности эксперимента нагревание воды в термостате должно происходить достаточно медленно, чтобы температуру воды в ампуле можно было считать равной температуре воды в термостате.

Необходимая мощность нагревателя устанавливается регулятором «Нагрев», который находится на передней панели блока приборов 1.

В блоке приборов находится компрессор, с помощью которого в термостат можно подавать сжатый воздух. Компрессор обеспечивает равномерное нагревание воды в термостате. Интенсивность подачи сжатого воздуха устанавливается регулятором «Воздух», который на передней панели блока приборов.