3. Методика эксперимента по определению теплоты испарения

В полость корпуса автоклава через верхнее отверстие наливают дистиллированную или кипячёную отстоянную воду до уровня h₀ на 3 – 5 мм выше уровня h₁ нижнего торца канала (см рис. 1). Вода заполняет нижнюю полость и входит в нижнюю часть канала. При закрывании канала заглушкой в канале образуется герметизированная, заполненная воздухом полость, начальный объем V₀ которой определяется площадью S₀ сечения канала, начальным уровнем жидкости h₀ (определяется по шкале мерной трубки после завёртывания пробки) и уровнем верхнего торца канала h₂: V₀ = S₀ (h₂ – h₀). Начальная температура t_o и атмосферное давление P₀ определяются по термометру и по барометру-анероиду, находящимся в помещении.

При нагревании корпуса, а вместе с ним и его содержимого до новой температуры Т _н воздух в канале расширяется, кроме того, к нему добавляются пары воды. Вода из полости вытесняется в мерную трубку, где поднимается до нового уровня h. Объём вытесненной жидкости V = S (h – h₀), где S – площадь сечения канала трубки. Значения перечисленных геометрических величин см. на листе 4.

Суммарное давление воздуха Р_в и паров Р_п практически равно атмосферному давлению Р₀ (давление столба жидкости в трубке нужно учитывать только при очень точных, прецизионных измерениях). По формуле Р =  g h , где  – плотность воды, g – ускорение силы тяжести, h – высота мерной трубки, можно оценить давление столба жидкости в трубке как не превосходящее 2 кПа, в то время как нормальное атмосферное давление составляет около

100 кПа. Таким образом, относительная погрешность рассчитанного давления не превосходит 2 %.

Давление воздуха Р_в = Р₀ – Р_п. Используя уравнение объединённого газового закона для воздуха

,

находим давление пара

Исходя из уравнений Клапейрона – Менделеева и Клапейрона – Клаузиуса и используя соотношения

, ,

,

по зависимости ln (Р_п) от 1/Т можно найти теплоту испарения

,

где R = 8,31 Дж/(моль К) – газовая постоянная и М = 1810^-3 Кг/моль – молярная масса воды.

Примечание. Следует иметь в виду, что операция логарифмирования именованных (имеющих размерности) величин не имеет смысла, поэтому будем условно считать, что логарифмирование проводится для отвлечённых величин.

3.1. Порядок выполнения работы

3.1.1. В полость корпуса автоклава через верхнее отверстие (вывинтить заглушку) налить кипячёную отстоянную и охлаждённую воду до уровня h₀. Вода находится в пластмассовой бутыли внутри комплекса. Воду заливать с помощью медицинского шприца объёмом 20 мл с надетой на его наконечник хлорвиниловой трубкой (шприц находится в левом выдвижном ящике комплекса ЛКТ-2). Хлорвиниловую трубку вводить в отверстие диаметром 6 мм на глубину не более 5 см. После заливки воды ввернуть на место заглушку и уплотнить автоклав. Данная процедура может быть выполнена предварительно инженером лаборатории.

3.1.2. Подключить соединительный кабель (находится в левом выдвижном ящике комп- лекса ЛКТ-2) к электроразъёмам блока "ГАЗ-ЖИДКОСТЬ" и измерительной системы ИСТ–2М, включить комплекс в сеть 220 В, включить тумблер "СЕТЬ". При этом загорятся зелёная лампочка у рукоятки "ТЕМПЕРАТУРА" и цифровой индикатор. Рукояткой "НАГРЕВ" установить рабочее напряжение (19  1) В. Контроль напряжения вести по четырехразрядному цифровому индикатору при нажатой кнопке "U_н" – напряжение питания нагревателя в вольтах.

3.1.3. Включить нагреватель, для чего тумблер "НАГР.-ВКЛ." перевести в положение "ВКЛ.". Нажать кнопку переключателя "Т₁" – температура подключённого к системе датчика в С с разрешением 0,1 градуса. Температуру задавать рукояткой "ТЕМПЕРАТУРА", совмещая прорезь на рукоятке с точками на лицевой панели системы ИСТ-2М. Первое значение температуры получить в исходном положении рукоятки, то есть, против часовой стрелки до упора. После начала работы системы стабилизации (одинаково ярко горят оба индикатора – Н2 и Н3) включить секундомер и через 2 мин записать в табл.1 значения t_н с индикатора и h с измерительной линейки блока "ГАЗ-ЖИДКОСТЬ". Значения с измерительной линейки считывать по правой кромке водяного мениска, обнулить секундомер.

3.1.4. Так же, как и в предыдущем пункте, записать в табл.1 значения t_н и h, последовательно устанавливая рукоятку и дожидаясь стабилизации температур в точках 50, 60, 70, 80, 90, 95 ^оС (в последнем положении рукоятку установить "на глаз" в середине между точками "90" и "100"). В протокол записывать фактические значения температур с индикатора, они будут отличаться от указанных номинальных значений. При выполнении данного пункта необходимо учитывать п.4 раздела "Замечания".

ВНИМАНИЕ! В указанные в п.4 положения регулятор температуры устанавливать вращением только по часовой стрелке, оставляя те фактические значения температуры, которые стабилизируются и высвечиваются на индикаторе. Корректировать температуру вращением регулятора против часовой стрелки категорически ЗАПРЕЩАЕТСЯ!

3.1.5. После выполнения п.3.1.4 вывести рукоятки "ТЕМПЕРАТУРА" и "НАГРЕВ" против часовой стрелки до упора, вернуть тумблер "НАГР.-ВКЛ." в положение "НАГР.", а тумблер "СЕТЬ" в нижнее положение. Отсоединить от обоих разъёмов кабель, убрать его и шприц для налива воды в левый выдвижной ящик комплекса ЛКТ-2.

3.1.6. Отсоединить комплекс от сети 220 В.

Замечания:

1. При заливании в систему сырой воды результаты будут искажены растворённым в воде воздухом. Пользуйтесь только кипячёной отстоянной и охлаждённой водой.

2. При температуре вблизи комнатной результаты могут быть искажены начальным давлением водяного пара, оставшегося при завёртывании заглушки.

3. Рукоятку "ТЕМПЕРАТУРА" вращать только по часовой стрелке, увеличивая температуру. В противном случае термостат выключится и повтор опыта станет возможным только при полном охлаждении автоклава.

4. В случае, если в точках 90 ^оС и более не будет загораться красный индикатор Н3, следите за изменением температуры, дожидаясь, пока величина этого изменения станет не более 0,1 ^оС в течение 2-х минут, после чего считывайте показания со шкалы цифрового индикатора.

5. При ожидаемом перерыве в работе более суток необходимо с помощью шприца удалить из автоклава воду и просушить его струёй воздуха от компрессора после прогрева автоклава до температуры (80-90) ^оС в течение 10 минут (при снятой заглушке). Для выполнения этой операции соедините кабелем блоки ИСТ-2М и М01, подайте на установку напряжение. Присоедините к открытому наконечнику в верхней части измерительной трубки хлорвиниловую трубку, идущую от штуцера "К" установки ЛКТ-2, при этом второй наконечник на измерительной трубке должен быть заглушен. Компрессор расположен с правой стороны установки ЛКТ-2, включается тумблером на его корпусе. Расход воздуха регулируется рукояткой рядом с тумблером, для продувки автоклава установите максимальный расход (рукоятка по часовой стрелке до упора). По завершении продувки переведите рукоятку регулировки расхода против часовой стрелки до упора, выключите тумблер компрессора, отсоедините хлорвиниловую трубку от наконечника измерительной трубки.

Данную операцию выполняет инженер лаборатории в порядке технического обслуживания оборудования.

3.2. Обработка результатов эксперимента

3.2.1. Построить равновесную кривую испарения, т. е. зависимость Р_{п =} f (Т_н).

3.2.2. Построить зависимость давления насыщенного пара от температуры в полулогарифмическом масштабе, т. е. зависимость ln P_п = f ().

3.2.3. По второму графику (прямая линия) определить с учётом знака производную и рассчитать теплоту испарения.

3.2.4. Сравнить полученный результат с табличным значением

(2256 Дж/г), оценить относительную погрешность и сделать вывод.