ЛР-ТД_4

29

Лабораторная работа №4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ ТЕМПЕРАТУРОЙ И ДАВЛЕНИЕМ НАСЫЩЕННОГО ВОДЯНОГО ПАРА

ПРИ НИЗКИХ ДАВЛЕНИЯХ

Цель работы

Экспериментальное определение зависимости давления насыщенного водяного пара от температуры при давлениях ниже атмосферного.

Введение

Одна из форм состояния насыщения представляет собой двухфазную среду – влажный пар, т.е. равновесную смесь насыщенной жидкости и сухого насыщенного пара. С молекулярно-кинетической точки зрения состояние насыщения характеризуется так называемым динамическим равновесием, т.е. одинаковой в среднем скоростью перехода молекул пара в жидкое состояние (конденсация) и перехода жидкой фазы в парообразное состояние (испарение). Отличительной чертой равновесного двухфазного состояния является однозначная зависимость давления системы от температуры, аналитический вид которой в дифференциальной форме даётся уравнением Клапейрона – Клаузиуса

, (4.1)

где T_s, p_s – температура и давление насыщения; r – удельная теплота парообразования; – соответственно удельные объёмы жидкой и парообразной фаз во влажном паре.

Существует несколько методов экспериментального определения зависимости давления насыщения жидкости от температуры. В настоящей работе применён так называемый статический метод, заключающийся в следующем.

Небольшое количество воды вводят в разрежённое пространство над столбом ртути в вертикальной стеклянной трубке с запаянным верхним концом. Трубку помещают в термостат, температуру которого можно изменять. Температуру насыщения определяют по температуре термостата. При нагревании вода в трубке над ртутью частично испаряется, что приводит к увеличению давления в трубке. Это давление насыщенного пара воды определяют по положению столбика ртути.

Описание экспериментальной установки

Схема установки показана на рис.4.1. Установка состоит из стеклянной, запаянной сверху, трубки 1, заполненной ртутью. В трубке над ртутью имеется небольшое количество воды. Верхняя часть трубки заключена в стеклянную оболочку, образующую термостат 2, в котором вода может быть нагрета до желаемой температуры электронагревателем 3.

Равномерность нагрева по объёму термостата осуществляется вручную с помощью мешалки 4. Термостат сверху закрывается пробкой, через которую пропущен термометр 5, служащий для измерения температуры воды в термостате. Пробка 6 служит для заливки воды в термостат, а поливиниловая трубка 7 – для слива воды.

Трубка 1 своим нижним концом погружена в чашку с ртутью 8. Ртуть в чашке залита небольшим слоем воды 9 во избежание испарения ртути в помещение. Высоту H столба ртути в трубке 1, считая от уровня ртути в чашке, измеряют линейкой 10, отградуированной в миллиметрах.

Порядок проведения опыта

Работа должна выполняться с особой осторожностью, так как ртуть ядовита!

1. Проверить нулевое положение линейки 10, которое должно совпадать с уровнем ртути в чашке 8.

2. При необходимости добавить воды в термостат 2 с тем, чтобы вода полностью

покрывала трубку 1.

3. Подготовить в тетради лабораторных работ табл.4.1.

4. Включить нагреватель.

5. Как только температура воды в термостате достигнет значения, кратного пяти в пределах 10…20^оС, произвести отсчёт высоты столба ртути H в трубке 1 с помощью линейки 10 и занести их значения соответственно в графы 3 и 4 таблицы.

6. Продолжить измерения температуры воды в термостате 2 через каждые пять градусов до температуры 50…70^оС (указывается преподавателем) и соответствующую измеренным температурам высоту столба ртути в трубке 1 с занесением их значений в те же графы таблицы. Перед каждым измерением перемешивать воду в термостате с помощью мешалки 4.

Обработка результатов опыта

Давление p_s насыщенного водяного пара над ртутью в трубке 1 вычисляется из условия равновесия столба ртути высотой H, на который сверху вниз действуют собственный вес ртути и сила давления водяного пара над ртутью (весом жидкой воды над ртутью и парциальным давлением находящихся в паре других газов, в частности воздуха, пренебрегают). Снизу вверх на этот столб ртути действует сила атмосферного давления. Условие равновесия приводит к следующей связи между давлением насыщения и высотой столба ртути в трубке 1:

, Па, (4.2)

где – барометрическое (атмосферное) давление, Па; – средняя плотность ртути в интервале температур 20…50^оС; g=9.81 м/с² – ускорение свободного падения. Если учесть, что атмосферное давление обычно даётся в миллиметрах ртутного столба B, а давление насыщения – в барах (1 бар=10⁵ Па), то окончательно расчётная формула принимает вид

(4.3)

Значения p_s занести в графу 5 табл.4.1.

В графу 6 табл.4.1 занести табличные значения давления насыщения для воды при тех же температурах (прил.2). В графу 7 табл.4.1 занести погрешности измеренных значений давления насыщения p_s по отношению к табличным значениям в соответствии с формулой

. (4.4)

По опытным данным построить в масштабе в координатах p – t кривую зависимости давления насыщения водяного пара p_s от температуры t. На этом же графике нанести ту же кривую, построенную по табличным данным (графа 6).

Таблица 4.1

№ замера	Барометрическое давление B, мм рт.ст.	Температура воды в термостате t, ^оС	Высота столба ртути в трубке H, мм рт.ст.	Давление насыщения водяных паров ps, бар	Табличные значения давления насыщения ps^табл, бар	Относительная погрешность ε, %
1
2
3
и т.д.