Лабораторна робота № 7 (11)

ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМОЇ ТЕПЛОТИ ПАРОУТВОРЕННЯ КАЛОРИМЕТРИЧНИМ МЕТОДОМ

Мета роботи: Вивчити явище пароутворення і визначити питому теплоту пароутворення води.

Прилади і приладдя: електроплитка, колба з водою, сухопарник, калориметр з мішалкою і кришкою, термометр, технічні терези, різноваги.

Література

1. Грабовский Р.И. Курс физики: Учеб. пособие для с.-х. ин-тов. – М., 1979. – 552 с.

2. Розумнюк В.Т., Якименко І.Л. Фізика. Основні поняття, явища і закони. – Біла Церква, 2004. – 71 с.

Теоретичні відомості

Пароутвореннямназивають перехід речовин із рідкого стану в газоподібний.

Існує два процеси пароутворення – випаровування і кипіння.

Випаровуванням називають відрив молекул від поверхні рідини.

У процесі випаровування від поверхні відриваються ті молекули, що мають кінетичну енергію, достатню для подолання сил притягання до сусідніх молекул. Таким чином, при випаровуванні відриваються від поверхні рідини молекули з більшою енергією, а залишаються в рідині молекули з меншою енергією. Це означає, що внаслідок випаровування температура рідини зменшується. (Нагадаємо, що температура будь-якого тіла залежить від середньої кінетичної енергії його молекул. Чим більша середня енергія молекул, тим температура тіла вища і навпаки).

Випаровування відбувається при будь-якій температурі, тому що при будь-якій температурі є молекули, що мають достатню енергію для розриву міжмолекулярних зв’язків. Цю енергію вони отримують від своїх сусідок при взаємному зштовхуванні внаслідок хаотичного руху. При більш низьких температурах таких молекул менше, а значить менша й інтенсивність випаровування.

Кипінням називають відрив молекул як від поверхні рідини, так і в її об’ємі.

В об’ємі молекули відриваються в бульбашки повітря, які завжди є всередині будь-якої рідини. Найчастіше всього вони знаходяться в подряпинах, щілинах чи місцях стінок посудини, не змочених рідиною. На відміну від випаровування, кипіння відбувається не при будь-якій, а при певній для кожної рідини температурі. Для води при нормальному тиску ця температура дорівнює 100 °С. По мірі кипіння молекули рідини, що оточують бульбашку повітря, відриваються від рідини в бульбашку і її розмір зростає. Зростає в бульбашці й величина тиску. Коли цей тиск дорівнює або є більшим суми гідростатичного тиску стовпчика рідини над бульбашкою і атмосферного тиску, бульбашка спливає на поверхню і лопається, переносячи таким чином молекули рідини в атмосферу.

Пароутворення, як при випаровуванні, так і при кипінні, вимагає затрат енергії для подолання сил притягання між молекулами рідини. Ці затрати при певних зовнішніх умовах (температурі і тиску) характеризуються питомою теплотою пароутворення.

Питомою теплотою пароутворення називають кількість теплоти, яку необхідно витратити для перетворення одиниці маси рідини в пару при температурі пароутворення.

В СІ питома теплота пароутворення λ вимірюється в Дж/кг. Різні рідини мають різні значення λ тому, що в них різні сили притягання між молекулами.

Кількість теплоти Q, необхідноїдля перетворення деякої маси m рідини в пару при температурі пароутворення, буде:

∆Q = λ m, (1)

де (лямбда) – питома теплота пароутворення.

Теплота–це фізична величин, що є мірою сумарної кінетичної енергії хаотичного руху молекул тіла.

Температура є кількісною характеристикою інтенсивності хаотичного руху молекул тіла, показником середньої швидкості хаотичного руху молекул та середньої кінетичної енергії хаотичного руху молекул.

В даній роботі для визначення питомої теплоти пароутворення води використовують визначення теплоти, що віддається водяною парою воді в калориметрі й самому калориметру, коли пару напускають в калориметр з холодною водою. При цьому калориметр і вода в ньому нагріваються.

Запишемо рівняння теплового балансу для цього процесу:

, (2)

де Q₁ – енергія, отримана водою в калориметрі при нагріванні від до .

, (3)

де – питома теплоємність води; m – маса води в калориметрі до початку досліду; – температура води в кінці досліду; – початкова температура води в ньому.

Q – енергія, отримана калориметром при нагріванні від до .

, (4)

де – питома теплоємність латуні (матеріалу калориметра); m – маса калориметра; θ – температура калориметра в кінці досліду; t₁ – температура калориметра на початку досліду.

Q – енергія, що передається парою при конденсації (конденсацією називають перехід речовини із газоподібного стану в рідкий).

, (5)

де – питома теплота пароутворення; m – маса пари.

ΔQ – енергія, що передається конденсатом (сконденсованою парою) при його охолодженні від температури кипіння до температури :

, (6)

де – питома теплоємність води; m – маса пари; – температура пари (температура кипіння води); θ – температура води в кінці досліду.

Підставивши формули(3), (4), (5) і (6) у рівняння (2) знаходимо робочу формулу для визначення λ:

(7)

Опис установки

Калориметр являє собою латунну посудину 6 (рис. 7.1) з мішалкою 8 і кришкою 7. Сухопарник 4 висушує пару, звільнюючи її від крапель води, що сконденсувалися при проходженні пари по трубці. Ця вода відводиться через трубку із зажимом 3, який відкривають по мірі накопичення води в сухопарнику. 1 – скляна колба, в яку наливається досліджувана рідина, 10 – термометр, 5 – стакан, 2 – електроплитка, 9 – ексікатор (повітряний термостат).

Рис. 7.1.

Порядок виконання роботи

1. В кип'ятильник (скляну колбу) 1 налити воду (трохи більше половини об'єму) і поставити її на електроплитку 2. Відпустити зажим 3 і обидві каучукові трубки, що йдуть від сухопарника 4 опустити в стакан 5. Ввімкнути електроплитку 2.

2. Зважити калориметр 6 із кришкою 7 і мішалкою 8 (m₂).

3. Налити в калориметр воду (трохи більше половини) і знову зважити (m₂´). Тоді маса води в калориметрі m₁ = m₂´ – m₂.

4. Поставити калориметр в захисну посудину 9 і поміряти початкову температуру води в ньому термометром 10 ( ).

5. Переконавшись, що сухопарник і відвідні каучукові трубки добре прогрілись, а із трубок йде густа пара, зажати зажимом одну із трубок. Другу трубку занурити як можна глибше в калориметр. Весь час, помішуючи воду мішалкою, слідкувати за підвищенням температури в калориметрі.

6. Коли температура води в калориметрі підвищиться на 4–5˚, виключити електроплитку, вийняти трубку із калориметра і записати кінцеве значення температури води (θ).

7. Зважити калориметр з кришкою, мішалкою і водою (m₂"). Маса пари m₃ = m₂" –– m₂´.

8. Всі дані записати в таблицю.

9. За формулою (7) вирахувати величину λ.

10. За табличним значенням λ_m і знайденим значенням λ_сер знайти абсолютну похибку ∆λ = λ_сер – λ_m.

11. Знайти відносну похибку: ε = ·100%.

12. Кінцевий результат записати у вигляді:

(Дж/кг).

Таблиця

Вимірювані показники	Позначення				Серед.
Маса калориметра з мішалкою і водою до досліду, кг	m2´
Маса калориметра з мішалкою, кг	m2
Маса води в калориметрі до досліду, кг	m1 = m2´– m2
Початкова температура води в калориметрі, С
Температура кипіння, ˚С
Температура суміші, ˚С	θ
Маса калориметра з мішалкою, кришкою і водою після досліду, кг	m2"
Маса сконденсованої пари, кг	m3= m2"– m2´
Питома теплоємність калориметра, Дж/кг	с2
Питома теплоємність води, Дж/кг	с1
Питома теплота пароутворення, Дж/кг	λ
Табличне значення питомої теплоти пароутворення, Дж/кг	λm

Контрольні питання

1. Дати визначення явищ пароутворення, випаровування і кипіння.

2. Пояснити явища випаровування і кипіння, користуючись молекулярно-кінетичною теорією.

3. Дати визначення теплоємності, питомої теплоємності й питомої теплоти пароутворення. Одиниці їх вимірювання.

4. Залежність температури кипіння від тиску.

5. Рівняння теплового балансу.

6. Роль процесів випаровування в життєдіяльності живих організмів.