Упражнение 2 определение психрометрической постоянной аспирационным психрометром Порядок выполнения работы

1. Осторожно с помощью специальной пипетки смачивают батист шарика влажного термометра. Заводят пружину вентилятора и продувают воздух через цилиндрические кожухи, в которых расположены термометры.

2. Снимают показания сухого и влажного термометров, когда между их показаниями установится определенная, не изменяющаяся разность температур.

3. Определяют атмосферное давление по барометру, находят в таблицах значение максимальной влажности при температуре влажного термометра и подставляя в формулу (4.7) находят психрометрическую постоянную . Для вычисления абсолютную влажность брать из предыдущего упражнения.

Контрольные вопросы

1. Почему при смачивании ткани влажного термометра возникает разность температур между показаниями сухого и влажного термометров?

2. Как изменится влажность помещения, если при неизменной температуре сухого термометра разность показаний термометров увеличится? Уменьшится?

3. Какова разность температур сухого и влажного термометров, если воздух насыщен водяными парами?

4. В каком случае испарение с поверхности кожи и слизистых оболочек идет активнее: при относительной влажности  или  ?

5. Какие существуют методы определения влажности кроме метода психрометра?

V. Фазовые переходы

Фазой называются однородные макроскопические части системы, находящиеся в различных состояниях и отделенные друг от друга границей раздела. Если одновременно существуют две и более различных фаз вещества при данной температуре и давлении, соприкасаясь друг с другом, и при этом масса одной из фаз не растет за счет другой, то говорят о фазовом равновесии. Переход вещества из одного фазового состояния в другое называется фазовым переходом, или фазовым превращением. Число фаз , могущих быть в равновесии друг с другом, определяется правилом фаз Гиббса и зависит от числа компонент в веществе.

В учении о фазах основным вопросом является выяснение условий равновесия нескольких фаз. Условия равновесия фаз включают механическое и тепловое равновесия. Тепловое равновесие нескольких фаз наступит тогда, когда все фазы системы имеют одну и ту же температуру (т.е. , где число фаз). Для механического же равновесия необходимо равенство давлений по разные стороны границы раздела соприкасающихся фаз ( т.е. ). Равенство давлений и температур дает равенство фаз из разных не взаимопревращающихся веществ. В случае фаз из одинакового вещества должно выполняться еще одно условие: равновесие по отношению к фазовым переходам. Для равновесия фаз ни одна фаза не должна расти за счет других фаз из-за фазового превращения. Это условие будет выполняться при равновесии химических потенциалов соприкасающихся фаз ( ). Нужно отметить, что равновесие фаз – это динамическое равновесие. При равновесии взаимопревращения фаз не прекращаются, наоборот, они становится еще более интенсивными. Но взаимопревращения фаз происходят таким образом, что переход одной фазы в другую полностью компенсируется обратным переходом, так что объемы соприкасающихся фаз не меняются.

Равновесие двух фаз может иметь место лишь в определенном интервале температур, причем каждому значению температуры соответствует вполне определенное давление , при котором возможно равновесие.

С остояние равновесия двух фаз на диаграмме ( ) изображается кривой, выражающей функциональную связь (рис.5.1). Равновесие фаз будет только при таких и ,точки которых лежат на самой кривой. Правее и левее этой кривой вещество будет находиться в различных однофазных состояниях. Кривая, точки которой соответствуют равновесию фаз, называется фазовой диаграммой, или кривой равновесия фаз. Примером фазового перехода могут служить изменения агрегатного состояния вещества или переходы, связанные с изменениями в составе, строении и свойствах вещества (например, переход кристаллического вещества из одной модификации в другую).

Различают фазовые переходы двух родов. Фазовый переход первого рода (например, плавление, кристаллизация и т.д.) сопровождается поглощением или выделением теплоты, называемой теплотой фазового перехода. Фазовые переходы первого рода характеризуются постоянством температуры, изменениями энтропии и объема. Например, при плавлении телу надо сообщить некоторое количество теплоты, чтобы вызвать разрушение кристаллической решетки. Подводимая при плавлении теплота идет не на нагрев тела, а на разрыв межатомных связей, поэтому плавление протекает при постоянной температуре. В подобных переходах – из более упорядоченного кристаллического состояния в менее упорядоченное состояние – степень беспорядка увеличивается, т.е. согласно второму началу термодинамики, этот процесс связан с возрастанием энтропии системы. Если переход происходит в обратном направлении (кристаллизация), то система выделяет теплоту.

Фазовые переходы, не связанные с поглощением или выделением теплоты и изменением объема, называются фазовыми переходами второго рода. Эти переходы характеризуются постоянством объема и энтропии, но скачкообразным изменением теплоемкости. Фазовые переходы второго рода связаны с изменением симметрии: выше точки перехода система, как правило, обладает более высокой симметрией, чем ниже точки перехода. Примерами фазовых переходов второго рода являются: переход ферромагнитных веществ (железа, никеля) при определенном давлении и температуре в парамагнитное состояние.

Одно и то же вещество в зависимости от соотношения между удвоенной средней энергией, приходящейся на одну степень свободы хаотического (теплового) движения молекул и наименьшей потенциальной энергией взаимодействия молекул может находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком или газообразном. Это соотношение, в свою очередь, определяется внешними условиями – температурой и давлением. Следовательно, фазовые превращения также определяются изменениями температуры и давления.

Для наглядного изображения фазовых превращений используется диаграмма состояния (рис.5.2), на которой в координатах задается зависимость между температурой фазового перехода и давлением в виде кривых испарения (КИ), плавления (КП) и сублимации (КС), разделяющих поле диаграммы на три области, соответствующие условиям существования твердой (ТГ), жидкой (Ж) и газообразной (Г) фаз.

Кривые на диаграмме называются кривыми фазового равновесия, каждая точка на них соответствует условиям равновесия двух сосуществующих фаз: КП – твердого тела и жидкости, КИ – жидкости и газа, КС – твердого тела и газа.

Точка, в которой пересекаются эти кривые и которая, следовательно, определяет условия (температуру и соответствующее ей равновесное давление ) одновременного равновесного сосуществования трех фаз вещества, называется тройной точкой.

Термодинамика дает метод расчета кривой равновесия двух фаз одного и того же вещества. Согласно уравнению Клапейрона – Клаузиуса производная от равновесного давления по температуре равна:

, (5.1)

где теплота фазового перехода, изменение объема вещества при переходе из первой фазы во вторую, температура перехода (процесс изотермический).

Уравнение Клайперона – Клаузиуса позволяет определить наклоны кривых равновесия. Поскольку и положительны, наклон задается знаком . При испарении жидкостей и сублимации твердых тел объем вещества всегда возрастает, поэтому. Согласно (5.1).  , следовательно, в этих процессах повышение температуры приводит к увеличению давления, и наоборот. При плавлении большинства веществ объем, как правило, возрастает, т.е. , следовательно, увеличение давления приводит к повышению температуры плавления (сплошная КП на рис.5.2). Для некоторых же веществ ( и др.) объем жидкой фазы меньше объема твердой фазы т.е. , следовательно, увеличение давления сопровождается понижением температуры плавления (штриховая линия на рис.5.2).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

ИЗУЧЕНИЕ ДИАГРАММЫ ПЛАВКОСТИ ТЕЛ

Упражнение 1

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ВЕЩЕСТВА

Оборудование: пробирка с зеленым веществом, лабораторный термометр, стакан с горячей водой, секундомер.

Вопросы к допуску:

1. Какие физические явления изучаются в данной лабораторной работе?

2.Какие графики нужно построить в данной лабораторной работе?

3.Чем отличаются графики зависимости температуры от времени для кристаллического и аморфного вещества?

4. Как по графику изменения температуры вещества от времени определить температуру плавления кристаллического тела?

Содержание и метод выполнения работы

В кристаллическом теле атомы и молекулы вещества образуют упорядоченную упаковку и совершают малые колебания около своих средних положений. По мере нагревания тела скорость колеблющихся частиц возрастает вместе с амплитудой колебаний. Это увеличение скорости движения частиц с возрастанием температуры составляет один из основных законов природы, который относится к веществу в любом состоянии – твердом, жидком или газообразном.

К огда достигнута определенная, довольно высокая температура кристалла, колебания его частиц становятся столь интенсивными, что аккуратное расположение частиц становится невозможным, и кристалл плавится. С началом процесса плавления подводимое тепло идет не на увеличение скорости частиц, а на разрушение кристаллической решетки. Поэтому возрастание температуры приостанавливается. Последующее нагревание – это увеличение скорости частиц жидкости.

В случае кристаллизации из расплава вышеописанные явления наблюдаются в обратном порядке: по мере охлаждения жидкости ее частицы замедляют свое хаотическое движение, при достижении определенной, достаточно низкой температуры скорость частиц уже столь мала, что некоторые из них под действием силы притяжения начинают пристраиваться одна к другой, образуя кристаллические зародыши. Пока все вещество не закристаллизуется, температура останется постоянной. Эта температура, как правило, та же, что и температура плавления.

После того, как все вещество перейдет в твердое состояние, температура опять начинает понижаться, что будет соответствовать процессу охлаждения твердого тела.

Таким образом, температуру кристаллизации вещества можно определить, построив график ее зависимости от времени. Из изложенного выше следует, что этот график будет иметь характерный участок в виде отрезка, параллельного оси времени (участок АВ рис.5.3) . Температура , соответствующая этому участку, и будет температурой кристаллизации данного вещества.