5.2. Лабораторные работы

5.2.1. Работа ф-1. Определение зависимости давления насыщенного пара от температуры в однокомпонентной системе и расчёт теплоты парообразования

Для изучения зависимости Ρ от Т в однокомпонентных системах наиболее широко применяют два метода: определение давления пара при заданной температуре (статический метод) и измерение температуры кипения при постоянном давлении (динамический или эбулиометрический метод). Несмотря на принципиальную равноценность, оба метода сильно отличаются в методическом отношении.

Статический метод. Принцип измерения давления пара статическим методом заключается в том, что ёмкость с исследуемой жидкостью помещают в термостат и с помощью манометра измеряют равновесное давление пара. При этом из системы удаляют воздух, присутствие которого повышает измеряемое давление, жидкость обезгаживают, используя циклы замораживание–откачка–размораживание. Обычно достаточно трёх–четырёх циклов, чтобы снизить давление остаточного воздуха до приемлемой величины, однако такой метод обезгаживания может плохо работать, если жидкость при замораживании не кристаллизуется, а стеклуется.

Эбулиометрический метод. Точное определении температуры кипения жидкости при P = const сопряжено с рядом трудностей, обусловленных тем, что нижние слои жидкости обычно бывают перегреты, а пар в верхних частях·прибора может быть переохлаждённым. Для устранения этих трудностей применяются приборы, называемые эбулиометрами. Чаще всего применяют эбулиометр Свентославского, представляющий собой циркуляционный прибор, в котором измеряется температура жидкости, конденсирующейся на шарике термометра.

Рис. 5.10. Схема эбулиометра

Эбулиометрический метод применяется при исследовании жидкостей, кипящих без разложения. Схема эбулиометра Свентославского, применяемого в данной работе, приведена на рис. 5.10. Исследуемая жидкость зали-вается в куб 1 через отверстие 2. Куб обогревается спиралью из нихрома, которая подключается к электрической сети через ЛАТР, либо имеет водяную рубашку, к которой присоединён цир-куляционный термостат. Парожидкостная смесь поднимается по трубке 3 (насос Коттреля) и орошает термометрический карман 4, куда помещён термометр. На карман напаяна спираль для увеличения времени контакта смеси с термометром. В карман залито

небольшое количество ртути для улучшения теплообмена. Сепарационное пространство 5 служит для разделения жидкости и пара. По трубке 6 жидкость попадает обратно в куб. Пары конденсируются в холодильнике 7, сконденсированная жидкость возвращается обратно в куб через счётчик капель 8, предназначенный для контроля за интенсивностью кипения.

Эбулиометр присоединяется к системе регулирования давления (рис. 5.11). Её основными элементами являются форвакуумный насос (1) и два манометра, которые измеряют разность между давлением в системе и атмосферным давлением: ртутный U-образный манометр (2) и мембранный манометр (3). Для выполнения работы достаточно показаний одного из этих манометров. Кроме этого в системе имеется буферная ёмкость (4), которая необходима для сглаживания скачков давления, ловушка с силикагелем (5) для защиты мембранного манометра от паров исследуемых жидкостей и несколько кранов. Трёхходовой кран (6) позволяет соединить систему с вакуумным насосом и напустить воздух в насос после его отключения. Если это не сделать, то масло из насоса попадёт в систему. Кран (7) отсоединяет мембранный манометр от остальной части системы, кран (8) служит для напуска воздуха в систему.

Рис. 5.11. Система регулирования давления: 1 – вакуумный насос, 2 – ртутный манометр, 3 – мембранный манометр, 4 – буферная ёмкость, 5 – ёмкость с сили-кагелем, 6 – трехходовой кран для откачки системы и напуска воздуха в насос, 7 – вспомогательный кран, 8 – кран для напуска воздуха в систему, 9 – место присоединения системы к эбулиометру

Целью лабораторной работы является определение энтальпии и энтропии испарения исследуемой жидкости ΔН⁰_исп. и S⁰_исп.. Для выполнения работы используется описанная выше экспериментальная установка. В качестве исследуемой жидкости целесообразно применять органические вещества с нормальной температурой кипения от 60 до 120 ^С.

Имеются две немного различающиеся установки. Конструкция одной из них предполагает, что давление измеряется ртутным U-образным манометром, а куб обогревается электрическим нагревателем. В другой установке для измерения давления предусмотрен также мембранный дифференциальный манометр с цифровой индикацией, куб обогревается с помощью водяного термостата.

Порядок выполнения работы

– В эбулиометр через отверстие 2 (см. рис. 5.10) заливают около 60 мл исследуемой жидкости и эбулиометр присоединяют к системе регулирования давления. При выполнении работы обычно используют ацетон, изопропанол, н-пропанол, этилацетат, изобутанол или н-бутанол.

– Закрывают кран 8 (см. рис. 5.11), включают форвакуумный насос 1 и осторожно приоткрывают кран 6 для откачки части воздуха из системы. Снижают давление в системе от атмосферного до 250 мм рт. ст. и закрывают кран 6. Обратите внимание, что манометры входящие в состав установки, измеряют не давление в системе, а величину ∆P – разность между атмосферным давлением P_атм. и давлением в системе P. Поэтому их показания изменяются при этом от нуля до  500 мм рт. ст. или до  670 Па.

– Отключают насос и впускают в него воздух краном 6.

– Подают воду в холодильник эбулиометра и включают нагрев куба. С помощью ЛАТРа устанавливают ток примерно 200 мА. Ток постепенно увеличивают, пока не закипит жидкость.

– После того, как жидкость закипит,·регулируют нагрев и тем самым интенсивность кипения таким образом, чтобы жидкость проходила через счётчик капель со скоростью 40–50 капель в минуту. Если в течение 5 минут давление в системе и интенсивность кипения не изменяются, делают первый отсчёт.

– Записывают: а) температуру кипения с точностью до 0,1 °С, б) величину ∆P, отсчитываемую по уровню ртути в левом и правом коленах манометра², в) показания мембранного манометра и г) атмосферное давление определяемое с помощью барометра.

– Впускают воздух в систему через кран 8 до тех пор, пока давление в системе не повысится на 40–50 мм рт. ст. Вновь добиваются установления равновесия и делают следующий отсчёт. По мере повышения давления нагрев куба усиливают, чтобы интенсивность кипения и скорость прохождения капель через счётчик оставались прежними.

– Последовательно повышая давление в системе доводят его до атмосферного. Измеряют температуру кипения при атмосферном давлении.

– В течение опыта регистрируют 10–12 точек. После окончания опыта отключают нагрев куба и, через некоторое время, подачу воды в холодильник. Результаты измерений заносят в табл. 5.1:

Таблица 5.1

Таблица для обработки экспериментальных данных

Отсчёт по манометру		Pатм	Ткип, ^оС	∆P = 0,5* (∆P л+∆P пр)	P = Pатм – P, мм рт. ст.	ln(P)	T, К	10^3/T
∆Pлев	∆Pправ

Строят зависимость ln(P) – (1000 / T). По графику определяют теплоту испарения жидкости, нормальную температуру кипения при давлении 760 мм рт. ст., рассчитывают нормальную энтропию испарения. Обрабатывают данные методом наименьших квадратов и с помощью этого метода рассчитывают ΔН⁰_исп. и S⁰_исп., а также ошибки их определения. Сравнивают полученные величины с литературными данными.