Определение удельной теплоты перехода воды в пар при температуре кипения

Лабораторная работа № 4

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. Для испарения жидкости при постоянной температуре необходимо передавать телу некоторое количество теплоты. Величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо для превращения единицы массы жидкости в пар при постоянной температуре, называется удельной теплотой перехода жидкости в пар. Обычно её обозначают l. В СИ l измеряется в Дж/кг.

Теплота, подводимая к жидкости при изотермическом испарении, идет на работу преодоления сил молекулярного притяжения (внутренняя теплота перехода жидкости в пар) и на работу против внешнего давления (внешняя теплота перехода). Работа, совершаемая против сил молекулярного притяжения при испарении единицы массы, численноравна разности удельных внутренних энергий пара и жидкости:

, (1)

где U_п и U_ж - соответственно удельная внутренняя энергия пара и жидкости. Работу, совершаемую против внешнего давления при испарении единицы массы жидкости, определяют по формуле:

, (2)

где p - внешнее давление, V_п - удельный объём пара, V_ж -удельный объём жидкости. Удельная теплота перехода жидкости в пар равна сумме внутренней l₁ и внешней l₂ теплоты перехода:

(3)

Удельная теплота перехода жидкости в пар зависит от природы жидкости. С увеличением температуры удельная теплота перехода жидкости в пар убывает. В критическом состоянии различие между жидкостью и её насыщенным паром исчезает, и удельная теплота перехода обращается в нуль.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. Прибор для определения удельной теплоты перехода воды в пар при температуре кипения изображен на рис. 1. Сферическая колба А, в которую наливается вода, закрывается плотно резиновой пробкой, через которую проходят спирали С, служащие нагревателем, а также трубка Д, отводящая пар в конденсатор В. В конденсаторе циркулирует проточная вода из крана водопровода. Образующийся при кипении воды пар, проходя через конденсатор, превращается в воду, которую собирают в специальный сосуд. До проведения измерений конденсат стекает в другой сосуд. Мощность, потребляемая нагревателем С, изменяется автотрансформатором. Если нагреть воду в колбе до температуры кипения и дать ей покипеть 10-15 мин., то за это время прибор прогревается настолько, что процессы, происходящие в нем, можно считать стационарными. При этом установится постоянная разность температур колбы и окружающей среды, и весь образующийся за некоторое время пар при прохождении через конденсатор успевает превращаться в жидкость. Пусть мощность, потребляемая нагревателем, равна N₁. Проходя по спирали, электрический ток нагревает её, совершая за время t работу N₁t. Отдаваемое спиралью количество теплоты идет на превращение воды в пар при температуре кипения и на нагревание окружающей среды вследствие теплообмена между ней и колбой. В стационарном режиме тепловые потери за единицу времени постоянны. Тогда

,

где Q ₁ - количество теплоты, идущее на образование пара в течение времени t, a q - тепловые потери за то жесамое время. Если за время t испарилась масса воды m₁, то

.

В этом случае

. (4)

Масса m₁ испарившейся за время t воды равна массе воды, полученной за то же самое время при конденсации пара. Тепловые потери экспериментально определить трудно. Поэтому для их исключения опыт повторяют при другой мощности электрического тока. При этом снова собирают конденсат в условиях стационарного режима за то же время. Тепловые потери во втором опыте при соблюдении выше указанных условий можно принять равными тепловым потерям в первом опыте. Тогда

,

но так как , то

, (5)

где N₂ - мощность, используемая во втором опыте; m₂ - масса конденсата, собранного за время t в условиях второго опыта. Из формул (4) и (5) находим:

.

ИЗМЕРЕНИЯ. Конденсатор соединяют с водопроводным краном, пускают в него воду, плавно поворачивая кран. Подают питание в цепь и с помощью автотрансформатора, устанавливают по указанию преподавателя мощность N₁. Через 10-15 мин, после того как вода в колбе начала кипеть, приступают к измерениям. В сухой специальный сосуд собирают конденсат в течение 200-240 секунд, одновременно записывая показания ваттметра через каждые 20 секунд. Находят среднее значение мощности N₁. Взвешивают сосуд с водой с точностью до 0,01 г. Массу сосуда находить не нужно, так как в расчетную формулу входит лишь разность масс воды, собранной в двух сериях измерений.

Изменив мощность, проводят вторую серию аналогичных измерений. Целесообразно во второй серии использовать 2/3 - 3/4 первоначально потребляемой мощности.

ЗАМЕЧАНИЯ.

1. Нельзя допускать очень бурного кипения воды в колбе.

2. После окончания измерений не забудьте выключить источник тока и закрыть водопроводный кран.

ЗАДАНИЕ.

1. Познакомьтесь с ваттметром и запишите цену деления шкалы и его класс точности.

2. Проведите две серии измерений, описанных выше, и вычислите значение l при температуре кипения воды в Дж/кг.

3. Сравните полученное значение l с табличным значением.

4. Определите абсолютные и относительные погрешности, допущенные при измерении мощности, времени, массы, разности масс.

5. Рассчитайте предельные абсолютную и относительную погрешности измерения l.

6. Рассчитайте внешнюю удельную теплоту перехода воды в пар при температуре кипения l₂, пользуясь формулой (2), приняв, что пар в колбе является насыщенным. Температуру кипения найдите в таблице зависимости температуры кипения воды от давления. Определите давление по барометру. Значение V_п возьмите из таблицы.

7. Определите внутреннюю теплоту перехода воды в пар по формуле:

,

где l - экспериментально определенное значение удельной теплоты перехода воды в пар при температуре кипения.