Лабораторная работа № 1. Определение изменения энтропии жидкости при испарении (2 часа)

Рассмотрим испаряющуюся жидкость как макросистему, состоящую из большого числа микрочастиц (молекул).

С точки зрения статистической физики молекулы жидкости обладают различными скоростями. Средняя арифметическая скорость молекулы определяет температуру жидкости. Однако в жидкости имеются молекулы, скорость которых больше средней арифметической «V», и есть молекулы, скорость которых меньше средней арифметической.

Молекулы, энергии которых достаточно для преодоления сил молекулярного сцепления, покидают жидкость и становятся молекулами ненасыщенного пара.

Сама жидкость обедняется быстрыми молекулами, вследствие этого средняя арифметическая скорость движения оставшихся молекул уменьшается. Поэтому температура испаряющейся жидкости понижается. Процесс испарения можно характеризовать скоростью испарения.

Скорость испарения - это физическая величина, равная массе молекул жидкости, испаряющихся в единицу времени с единицы площади се поверхности.

Если сосуд с жидкостью имеет форму цилиндра диаметром d и за время t испаряется масса жидкости ∆m, то скорость испарения:

U=∆m /πr²/4t , или U=4∆m/πr²t,

где г - радиус цилиндра.

Скорость испарения зависит от температуры внешнего давления. Рассмотрим испаряющуюся жидкость с точки зрения термодинамики, которая в отличие от статистической физики не изучает движение отдельных молекул, а рассматривает превращение энергии данной системы.

Система «жидкость - ненасыщенный пар» неравновесна, т.е. характеризующие эту систему параметры «Р», «V», «Т» не меняются со временем.

Испарение - это процесс перехода данной системы в равновесное состояние. В результате испарения имеет место фазовый переход (жидкость превращается в пар). При этом согласно 1 началу термодинамики должна изменяться внутренняя энергия системы. Это изменение может происходить в двух случаях:

1. если система получает извне (или сама отдает) некоторое количество тепла;

2. если система совершает работу против внешних сил (пли внешние силы совершают работу над системой)

В случае испарения жидкость отдает тепло, при этом её внутренняя энергия уменьшается. Необходимо отметить, что система «жидкость - ненасыщенный пар» не является термодинамически изолированной системой, и самоохлаждающаяся жидкость отбирает тепло у окружающих тел.

Количество теплоты, необходимое для испарения единицы массы жидкости при данной температуре, называется удельной теплотой испарения (парообразования).

Мысленно разделим рассматриваемую систему на такие бесконечно малые массы Дт, испарение которых не вызывает существенного изменения температуры жидкости. Тогда переход жидкости в пар можно представить состоящим из ряда равновесных процессов. Состояние системы и рассеивание энергии в пространстве при испарении в этом случае можно характеризовать энтропией.

Энтропия S - это однозначная функция состояния, элементарное изменение которой при равновесном переходе системы из одного состояния в другое равно полученному или отданному количеству теплоты, деленному на абсолютную температуру, при которой произошел этот процесс.

dS=dQ/T,

Если мы имеем ряд равновесных переходов, то изменение энтропии

∆S =S₂-S₁=₁∫²dQ/T,

где S₁ - энтропия, характеризующая систему в первом состоянии,

S₂ - энтропия, характеризующая систему во втором состоянии.

В нашем случае при испарении dm изменение энтропии

dS=qdm/T,

где Т - абсолютная температура жидкости.

Если пренебречь незначительным изменением температуры при испарении ∆m, можно получить формулу для определения энтропии жидкости, считая, что Т = const:

∆S = S₂-S₁=₁∫²qdm/T=(m₂-m₁)q/T; ∆S=q∆m/T,

где ∆m - масса испаряющейся жидкости за время t,

q - удельная теплота парообразования спирта.

Цель работы: рассмотреть процесс испарения этилового спирта с позиции термодинамики, определить скорость испарения и изменение энтропии в процессе испарения.

Экспериментальная часть

Приборы и реактивы: весы, часы, штангенциркуль, термометр, стаканчик или чашка Петри, этиловый спирт.

Для точного взвешивания в этой работе используются электронные весы серии HL, взвешивание на которых можно производить с точностью до 0,1 мг. Целесообразно перед началом работы на весах получить консультацию у лаборанта.

Поместив на чашу весов чашку Петри со спиртом и уравновесив весы, ведут наблюдения изменения массы спирта за счет его испарения.

Задания

1. Измерить внутренний диаметр чашки Петри штангенциркулем. Измерение повторить 3-4 раза и определить среднее значение диаметра.

2. Определить по термометру температуру, при которой идет опыт.

3. Налить в чашку Петри этиловый спирт, поместить его на чашу весов и произвести уравновешивание весов в соответствии с правилами пользования.

4. Зафиксировать на часах начало отсчета времени, после чего в течение 6, 12 и 18 минут наблюдать процесс испарения спирта.

5. Повторить опыт 2-3 раза. На основании результатов всех опытов рассчитать среднее значение массы испарившегося спирта.

6. Рассчитать скорость испарения спирта по формуле:

Расчет произвести один раз по средним значениям измерений.

7. Рассчитать абсолютную и относительную погрешности измерения скорости.

8. Рассчитать изменения энтропии при испарении спирта по формуле:

Значение удельной теплоты парообразования спирта найти в справочнике.

9. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу.

Внутренний диаметр чашки	Масса чашки со спиртом	Повторное взвешивание	Третье взвешивание	Среднее значение массы испарения	Скорость испарения спирта U	Изменение энтропии при испарении спирта
d1	первоначально m0	m0	m0	m0
d2	через 6 мин m6	m6	m6	m6
d3	через 12 мин m12	m12	m12	m12
d4	через 18 мин m18	m18	m18	m18

Контрольные вопросы

1. Что называется состоянием термодинамической системы? Какими параметрами она может определяться?

2. Дайте определение понятия энтропии как функции состояния системы. Каков физический смысл этой функции?

3. Приведите примеры расчета изменения энтропии для процессов, происходящих с идеальным газом, а также для процессов теплообмена, происходящих с жидкостями и твердыми телами.

4. Почему изменение энтропии замкнутого термодинамического цикла не может быть отрицательным?

5. Дайте формулировку второго начала термодинамики с использованием понятия энтропии.

q=111.4 (Дж/моль*град.),

q=26,63 (кал/моль*град.).

Лабораторная работа № 2. Буферные растворы (2 часа)

Способность растворов поддерживать концентрацию ионов водорода (постоянство реакции среды) при добавлении небольшого количества сильной кислоты или щелочи называется буферным действием. Буферным действием обычно обладают смеси, состоящие из слабой кислоты и ее соли от сильного основания, и из слабого основания и его соли от сильной кислоты. Такие смеси называются буферными растворами или буферными системами.

Для приготовления буферных растворов и расчета концентрации водородных ионов пользуются следующей формулой:

[H⁺]=Kд.*( (N_кVк)/(N_сV_с)).

Как видно из формулы, концентрация водородных ионов буферного раствора определяется константой диссоциации слабой кислоты и отношением концентраций кислоты и ее соли.

Свойства буферных растворов

1. Буферные растворы способны поддерживать постоянство значения рН при разведении. Это свойство объясняется тем, что при разбавлении раствора концентрация кислоты и соли уменьшается в одно и то же число раз, благодаря чему отношение [кислота] : [соль] сохраняет свою величину.

2. При добавлении небольшого количества сильной кислоты или щелочи рН буферного раствора почти не меняется. Сила буферного действия измеряется буферной емкостью раствора.

Буферной емкостью называется количество мг -же сильной кислоты или щелочи, которое необходимо добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить значение рН на единицу.

Буферная емкость зависит:

1. от концентрации составных частей буфера; чем выше концентрация кислоты и ее соли, тем больше буферная емкость;

2. от соотношения концентраций кислоты и ее соли; наибольшей величины буферная емкость достигает при равенстве концентрации обеих частей буферного раствора.

Буферные системы имеют большое значение для живых организмов, т. к. принимают участие в поддержании постоянства рН тканей и биологических

жидкостей. Это тем более важно, что все физиологические процессы протекают при строго определенном значении концентрации водородных ионов.

Важнейшей буферной системой крови является бикарбонатный буфер. В его состав входят слабая угольная кислота - Н₂С0₃ и бикарбонат натрия - NaHC0₃.

Фосфатный буфер, состоящий из первичного фосфата натрия - NaH₂P0₄, играющего роль слабой кислоты, и вторичного фосфата натрия - Na₂HP04, имеет не менее важное значение в сохранении реакции тканевых жидкостей.

Белковые вещества, содержащиеся в плазме крови и обладающие одновременно свойствами слабых кислот и слабых оснований, также проявляют! буферное действие.

В эритроцитах мощным буфером являются гемоглобинная и оксигемоглобинная буферные системы.

Цель работы: приготовить буферные растворы и определить изменение рН буферных растворов: а) при разбавлении; б) при добавлении сильных кислот и оснований; определить буферную емкость раствора.

Экспериментальная часть

Приборы и реактивы: колбы, пипетки, растворы СН₃СООН, CH₃COONa.

Влияние разбавления буферных растворов на рН.

В две пронумерованные колбы вносят по 30 мл ацетатных буферных смесей следующего состава: а) 24 мл 0,2 н раствора СН₃СООН + 6 мл 0,2 н раствора CH₃COONa; б) 6 мл 0,2 н раствора СН₃СООН + 24 мл 0,2 н раствора CH₃COONa. Приготовленные смеси перемешивают встряхиванием. Рассчитывают рН буферных растворов по формуле:

рН=рК_кисл.+lgV_к/V_с.

Переносят пипеткой по 10 мл первого буферного раствора еще в две колбы. Раствор во второй колбе разбавляют дистиллированной водой в 2,5 раза (добавляя 15 мл дистиллированной воды), в третьей - в 5 раз," добавляя 40 мл дистиллированной воды. Содержимое колб перемешивают встряхиванием и отбирают из каждой по 5 мл буферного раствора в три пронумерованные пробирки одинакового диаметра, добавляя в каждую из них по 3 капли универсального индикатора. Применяемые в данной работе пробирки должны быть из бесцветного стекла (лучше из одной партии пробирок).

С опоставляют окраску разбавленных растворов с окраской неразбавленных, для чего пробирки ставят на чистый лист белой бумаги и наблюдают интенсивность окраски сверху, через всю толщу раствора (рис.1).

Проделать то же самое со вторым буферным раствором, т. е. перенести его по 10 мл еще в две колбы, во второй колбе раствор разбавить в 2,5 раза, в третьей - в 5 раз и т. д.

Сделать вывод о влиянии разбавления буферных растворов на величину рН и влиянии соотношения концентраций кислоты и соли на рН раствора при разбавлении.