Определение критической температуры этилового эфира

Лабораторная работа № 8

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. Для каждого вещества существует состояние, называемое критическим, при котором становятся по своим свойствам тождественными равновесно сосуществующие фазы: жидкость - пар. Вещество находится в критическом состоянии только в том случае, если его объем, давление и температура равны критическим значениям этих величин. Каждое чистое вещество имеет определенные значения критических параметров. Так, например, этиловый эфир имеет критическое состояние при давлении p_кр = 3,6 МПа, температуре Т_кр = 467 К. В критическом состоянии плотности жидкости и насыщенного пара равны, поверхностное натяжение и удельная теплота перехода жидкости в пар становятся равными нулю.

Критической температурой вещества называется температура, при которой и выше которой невозможно существование равновесной двухфазной системы жидкость-пар.

Представления об изменении состояния вещества можно иллюстрировать семейством экспериментальных изотерм, представленных на рис. 1, где рассмотрена зависимость давления от удельного объема данного вещества.

Изотерма LKM выражает зависимость давления от объема при критической температуре и называется критической. Точки, лежащие внутри пунктирной кривой NKP, соответствуют двухфазным состояниям вещества (жидкость - насыщенный пар). При давлениях и объемах, которым соответствуют точки ветви пунктирной кривой КСР (за исключением точки К), вещество будет находиться в состоянии насыщенного пара. При давлениях и объемах, соответствующих точкам ветви пунктирной кривой КВN (за исключением точки К) и точкам слева от этой ветви и ниже участка KL критической изотермы, вещество будет находиться в жидком состоянии. Точки, расположенные слева от ветви пунктирной кривой КСР и ниже участка критической изотермы КМ, соответствуют состояниям насыщенного или перегретого пара. Точку К называют критической точкой. Она соответствует критическому состоянию вещества. Любая точка критической изотермы, за исключением К, соответствует состоянию вещества при критической температуре, но не критическому состоянию.

В точке К удельный объем (объем единицы массы) жидкости равен удельному объему насыщенного пара, следовательно, равны и их плотности.

Знание критических параметров необходимо для расчета температурных зависимостей физических свойств вещества. Критическую температуру определяют с помощью денситометра, основная часть которого представляет собой горизонтально подвешенную, уравновешенную ампулу специальной формы. После заливки вещества равновесие ампулы нарушается и восстанавливается при равенстве плотностей жидкости (ρ_ж) и насыщенного пара (ρ_нп).

Этому методу аналогичен графический способ, основанный на построении зависимостей: _, . Пересечение указанных графиков с графиком позволяет определить значения Т_кр и ρ_кр.

Для прозрачных веществ используется метод исчезновения мениска. Наблюдается переход вещества через критическое состояние при нагревании жидкости в запаянной стеклянной ампуле, если масса вещества и его объем равны критическим значениям. Так как выполнить последнее условие трудно, то наблюдают за поведением мениска одновременно в нескольких ампулах с объемами большим, равным и меньшим критического. Ампула, в которой мениск исчезает последним, имеет критический объем, что позволяет определить критическую температуру.

Следует отметить, что критическое состояние наблюдается не во всем объеме ампулы, а в некоторой части, так как даже в условиях длительного термостатирования на распределение плотности вещества по высоте оказывают влияние гравитационное поле.

При наличии градиента температуры в ампуле исчезновение мениска при нагревании и его появление при охлаждении происходит при несколько различающихся температурах, среднее значение которых можно принять за критическую температуру.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. собрана для наблюдения за мениском жидкости в теневой проекции на оптической скамье. Блок-схема основных элементов приведена на рис. 2 (1 – стальной лист, 2- осветитель, 3 – термостат, 4 – объектив, 5 – экран). Для обеспечения безопасности проведения эксперимента термостат помешен за стальным листом, обозначенным пунктиром.

Стеклянные ампулы (5) с этиловым эфиром (рис.3) помещены внутри металлического контейнера (6) с окнами (3). Измерение температуры осуществляется с помощью термопары, один из спаев которой (4) расположен на уровне мениска жидкости. Режим нагрева камеры указывается лаборантом в зависимости от конструкции термостата и устанавливается с помощью регулятора напряжения.

Перед включением нагревателя убедиться в исправности установки. Сфокусировать с помощью объектива (4) (рис.2) изображение мениска жидкости на экране (5) (изображение на экране перевернутое). После включения установки наблюдают за поведением мениска в ампулах. В момент исчезновения мениска записывают показания милливольтметра, подключенного к термопаре, и выключают нагреватель. Через каждые 30 секунд записывают показания милливольтметра до тех пор, пока камера нагревается вследствие тепловой инерции нагревателя. Определяют максимальную температуру камеры по градуировочному графику. Далее температура начинает падать. В момент появления мениска записывают показания милливольтметра. Критическую температуру определяют как среднее значение температуры исчезновения и появления мениска. При повторном проведении опыта нагрев следует выключать с таким расчетом, чтобы критическая температура достигалась вследствие тепловой инерции нагревателя.

 

ПЕРЕД ВКЛЮЧЕНИЕМ УСТАНОВКИ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ

ПОСТАВИТЬ НА НОЛЬ!

 

Запрещается ВСКРЫВАТЬ ТЕРМОСТАТ при включенном нагревателе и повышенной температуре камеры.

ЗАДАНИЕ.

1. Определить температуру исчезновения и появления мениска в ампулах.

2. Определить ампулу, имеющую критический объем.

3. Описать явления, предшествующие исчезновению и появлению мениска.

4. Рассчитать погрешность определения критической температуры этилового эфира (Т_кр).