5. Описание установки.

Опыты проводятся на виртуальной установке с помощью компьютерной имитации.

Изучаемое вещество в количестве 1 мольнаходится в цилиндре с подвижным поршнем (рис.7).Максимальный объем цилиндра (верхнее положение поршня)- Текущие значения объема и давления при перемещении поршня показывается на индикаторе слева от цилиндра. Температура задается в пределах отдо; к примеру, на рис. 7 выставлена температура, что составляет воды. Изменение объема производится перемещением поршня; при этом температура остается постоянной и равной заданной величине. В самом верхнем положении поршня в цилиндре существует только газовая фаза в виде перегретого пара (точкана рис 5)

Рис.7

При опускании поршня уменьшается объем и увеличивается давление (по линии ).При некотором значении объемавнизу цилиндра появляется тонкая полоска жидкости (синего цвета); пар над жидкостью становится сухим насыщенным; состоянию системы соответствует точка(рис.5)

Дальнейшее уменьшение объема не приводит к изменению давления (линия – в системе присутствуют одновременно две фазы, которые находятся в состоянии динамического и термического равновесия друг с другом - (рис. 2 участок ) Пар в этой области является влажным. Наконец, поршень касается поверхности жидкости, весь пар сконденсировался, объем системы будет .Дальше будет сжиматься только жидкость, объем которой практически не меняется; поэтому линия зависимостиздесь почти вертикальна (рис.5, участок).Перемещать поршень в этой области следует осторожным кликанием указателей на полосе прокрутки справа. При давлениях,1000 атм, загорается красное табло (перегрузка)

Выполнение работы.

Эксперименты заключаются в изменении объема системы при ее фиксированной температуре путем перемещении поршня в цилиндре и регистрации значений температур, давлений и объемов

Задание 1.

Построение пограничной кривой в координатах

и кривой испарения в координатах

1.1В окне работы на рис.8 выберите вещество (первым рекомендуется выбрать воду), и левой кнопкой мышки кликните«условия заданы»- откроется окно на рис. 7.

Рис.8 Окно выбора вещества

1.2 Для ознакомления с установкой подвигайте поршень (курсором или «захватом») вверх и вниз и понаблюдайте за изменениями давления и объема.

1.3По указателю температуры задайте ее значение (при этом высвечивается также и отношение установленной температуры к критической для данного вещества). Минимальную температуру выбираете так, чтобы при верхнем положении поршня в цилиндре отсутствовала жидкая фаза

1.4Опускаете поршень до положения (точкана рис. 5), с которого давление перестает изменяться, и записываете втаблицу 1значения давленияи удельного объемав этой точке (сделайте перерасчет объема одного моля в удельный объем,)

1.5Продолжаете медленно опускать поршень до момента касания поверхности жидкости (точкана рис. 5) и записываете в таблице 1 значениe .

1.6В пунктах1.4и1.5получены две точки (ирис 5) пограничной кривой. Таким же образом получаете попарно точки для других температур вплоть до критической и заполняете таблицу 1 полностью.

Вещество _____________________

Таблица 1 Пограничная кривая

№№			,	,
1	500-520
2	540-560
3
4
5
и т.д.

1.7.По данным таблицы 1 строите графики пограничной кривойвкоординатах (рис. 9) и кривой испарениявкоординатах (рис.10). Графики можно строить на миллиметровке вручную или вExcelСтроя график,обращайте внимание на плотность распределения точек на кривой - при необходимости проведите дополнительные опыты в требуемых местах

Задание 2. Построение изотерм различных веществ.

2.1В окне на рис .8 выберите вещество и левой кнопкой мыши кликните«условия заданы»- откроется окно на рис. 7.

2.2По указателю температуры задайте ее значение. В таблице 2 приведены возможные температуры для воды; можно взять и другие значения.

2.3Опуская поршень с верхнего положенияи устанавливая его в различные места до момента появления жидкости, запишите в таблицу2значения объемов и давлений. Получите 5-6 точек в области, 3-4 точки в области на рис.5. Линияподнимается практически вертикально; здесь достаточно получить одну-две точки при минимальных перемещениях поршня.

2.4 Проведите опыты еще для двух-трех значений температуры в области влажного пара (под пограничной кривой),а таже опыт при критической температуры и один опыт в области перегретого пара.

2.5 Нанесите полученные изотермы на график с пограничной кривой вкоординатах на миллиметровке или вExcel(для построения графиков вExcelмогут потребоваться дополнительные точки в некоторых участках кривых). На рис. 11 приведены несколько изотерм воды, полученных в настоящей работе (вExcel). Видно, что участки изотерм, лежащие правее и левее пограничной кривой, проходят довольно близко друг к другу. Лучшего видимого разделения кривых можно добиться варьированием размера графика и масштаба осей.

2.6Нажав кнопку«изменить условия»,выберите еще два-три вещества (среди них углекислый газ) и выполните изложенные выше пункты.

Таблица 2

	Вода
1	29.44	1300
2	31	1228
3	32	1186
4	34	1109
5	35.00	1073
6		700
7		50
8		300
9		50
10	35	41
11	40

Рис. 11 Изотермы воды

1.Величина критической температурыдля воды, приводимая в работе,ошибочна.Общепринятым значением является величина. При этом; ;Мы не можем исправить эту ошибку (но будем иметь в виду) . Постоянные Ван-дер-Ваальса для воды

;

3)Если сравните полученные вами результаты с табличными значениями (например, для воды таблица 3), то может обнаружиться некоторое различие. Это может быть связано с погрешностями самой ( компьютерной) работы. .

Задание 3. Определение теплоты фазового перехода

По графику зависимости(задание 1) определите тангенс угла наклона касатель-нойк кривойв двух разных точках (на рис.10 приведена касательная к точке с температурой)и, используя уравнение Клапейрона –Клаузиуса, оцените скрытую теплоту парообразования при этих температурах по формуле

(10)

Значения удельных объемов иполучаются из опытов При вычислении по формуле (10) все величины необходимо брать в СИ, а удельный молярный объем перевести в удельный массовый .

В теплотехнических справочниках обычно приводятся значения теплоты парообразования , энтальпии сухого насыщенного параи энтальпии жидкости в точке насыщения(см таблицу 3) Поскольку фазовый переход «жидкость-пар» является изобарным процессом, то теплота этого процесса равна разности энтальпий

(11)

Контрольные вопросы, задания

1. Причина отклонения поведения реальных газов от поведения идеальных газов.

2. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы Ван-дер-Ваальса.

3. Критическая точка. При каких условиях газ можно перевести в жидкость ? Критические параметры для воды.

4. Пограничная кривые на Р-Vдиаграмме ; изотермы реального газа; области однофазных и двухфазных состояний вещества.

5.Как изменется плотность воды и плотность пара в состоянии насыщения с ростом температуры ?

6.Какая из жидкостей в двухкомпонентном растворе (например вода + глицерин; вода+спирт; вода + кислота и т.д.) будет испаряться сильнее: та, у которой давление насыщенных паров больше или меньше при той же температуре

7. Какая составляющая двухкомнентной паровой смеси конденсируется интенсивнее при данной температуре: лекокипящая или высококипящая ?

8. Ректификационная колонна (перегонка нефти) –схема и принцип действия.

9. Поглощается или выделяется теплота при образовании снега ?

10.Каковы будут относительные показания сухого и «влажного» термометров психрометра

11. Что такое тройная точка ? Параметры тройной точки для воды.

При каком условии может происходить сублимация

12. Как изменяется значение теплоты фазового перехода «жидкость-пар» с ростом температуры (покажите это на Т-S диаграмме)

13 Напишите уравнение Клапейрона –Клаузиуса .

14..Приведите Р-Т фазовую диаграмму для воды. Как ведет себя температура кипения

воды и плавления льда с повышением давления ?

15.На какой закономерности основана возможность катания на коньках без поперечного

скольжения ? Почему «точат» коньки ?

16. Парциальное давление и парциальный объем.

17 Определите парциальное давлениевоздуха в пространстве над водой в перевернутой вверх дном пробирке и опущенной в сосуд (по аналогии с опытом Торричелли) с водой. Температура воды,высота столба воды . От чего зависит высотастолба воды в пробирке ?.

18.Какая (какие) из показанных на графиках площадей соответствует (соответствуют) скрытой теплоте парообразования ?

19.Как зависит давление насыщенного пара от его объема ?

A) Не зависитB) ПропорциональноVC) Обратно пропорциональноV

D) ПропорциональноV²E) Обратно пропорциональноV²

20. Применимы ли понятия «теплота фазового перехода», «критическая» точка», «тройная точка» для идеального газа и почему ?

21.Пользуясь таблицей 3,определите состояние водяного пара (влажный, сухой насыщенный, перегретый) при давлениии температуре

22 Проведите (качественно) изотермы реального газа через указанные на рисунке точки

в интервале между двумя значениями удельного объемаи

24 .Теплоемкость в процессе фазового перехода (например, жидкость-пар) равна

A) нулю

B) ведет себя неопределенно

C) увеличивается

D) уменьшается

E) бесконечности

2) Обоснование ответа

25. Можно ли, не изменяя температуру, из льда получить жидкую воду ?

Ответ обоснуйте

27. 1) Проведите (качественно) изотермы реального газа через указанные на рисунке точки в интервале между двумя значениями удельного объемаи

2) Как соотносятся в точках 1 и 2 температуры и степени сухости пара ?

Температура, Т	А)	В)	С)	D) нельзя сказать определенно
Степень сухости, Х	А)	В)	С)	D) нельзя сказать определенно

28. В двух закрытых одинаковых по объему баллонах находится при комнатной температуре сжиженный газ: масса газа в одном баллоне, в другом -.

1)Как соотносятся давления паровив этих баллонах

A);B); С);D) нельзя сказать определенно

2) Обоснование ответа

29.В двух закрытых одинаковых по размеру сосудах находится вода с массамипри одинаковых температурах. В пространстве над водой находится смесь воздуха с парами воды. Парциальное давление воздухав первом сосуде меньше, чем во втором.(). Как соотносятся полные давленияив сосудах ?

A);B); С);D) нельзя сказать определенно

30. В двух закрытых и разных по объему () баллонах при одинаковых температурах находится одинаковое количество () сжиженного газа (пропан).

1) Как соотносятся давления инад жидкостями в баллонах

A);B); С)D) нельзя сказать определенно

2) Обоснование ответа

33. Пользуясь таблицей 4, определите, в каком состоянии находится углекислый газ при и

А) в виде жидкости ; В) в виде влажного пара; С) в виде сухого насыщенного пара;

D) в виде перегретого пара , Е) в твердом состоянии

31. На рис.1 приведена пограничная кривая в координатах и взяты три точки.

1)Проведите изотермы реального газа через эти точки во всех областях

агрегатных состояний

2)На рис 2 приведите соответствующую ветвь фазовой диаграммы и на ней

покажите указанные точки

32.В двух закрытых и одинаковых по объему газовых баллонах находится при комнатной температуре сжиженный газ (пропан): масса газа в одном баллоне, в другом -.1)Как соотносятся давленияинад жидкостями в баллонах ?

33. 1) Проведите (качественно) изотермы реального газа через указанные на рисунке точки в интервале между двумя значениями удельного объемаи

2) Как соотносятся в точках 1 и 2 температуры и степени сухости пара

Температура Т	А)	В)	С)	D) нельзя сказать определенно
Степень сухости Х	А)	В)	С)	D) нельзя сказать определенно

Термодинамические свойства воды и водяного пара

(на линии насыщения)Таблица 3

		,	,	,
0.01	273.16	0.00061	1.0002	206.3	0	2501	2501	0	9.1544
5	278.15	0.008719	1.0001	147.2	21.05	2510	2489	0.0762	9.0241
10	283.15	0.012277	1.0004	106.42	42.04	2519	2477	0.1510	8.8994
15	288.15	0.017041	1.0010	77.97	62.97	2528	2465	0.2244	8.7806
20	293.15	0.02337	1.00180	57.84	83.90	2537	2453	0.2964	8.6665
25	298.15	0.03166	1.0030	43.40	104.81	2547	2442	0.3672	8.5570
30	303.15	0.04241	1.0044	32.93	125.71	2556	2430	0.4366	8.4523
35	308.15	0.05622	1.0061	25.24	146.6	2565	2418	0.5049	8.3519
40	313.15	0.07375	1.0079	19.55	167.5	2574	2406	0.5723	8.2559
45	318.15	0.09584	1.0099	15.28	188.4	2582	2394	0.6384	8.1638
50	323.15	0.12335	1.0121	12.04	209.3	2592	2383	0.7038	8.0753
55	328.15	0.15740	1.0145	.9.578	230.2	2600	2370	0.7679	7.9901
60	333.15	0.19917	1.0171	7.678	251.1	2609	2358	0.8311	7.9084
65	338.15	0.2501	1.0199	6.201	272.2	2617	2345	0.8934	7.8297
70	343.15	0.3117	1.0228	5.045	293.0	2626	2333	0.9549	7.7544
75	348.15	0.3855	1.0258	4.133	314.0	2635	2321	1.0157	7.6815
80	353.15	0.4736	1.0290	3.408	334.9	2643	2308	1.0753	7.6116
85	358.15	0.5781	1.0324	2.928	355.9	2651	2295	1.1342	7.5438
90	363.15	0.7011	1.0359	2.361	377.0	2659	2282	1.1925	7.4787
95	368.15	0.8451	1.0396	1.982	398.0	2668	2270	1.2502	7.4155
100	373.15	1.0132	1.0435	1.673	419.1	2676	2257	1.3071	7.3547
105	378.15	1.2079	1.0474	1.419	440.2	2683	2243	1.3632	7.23959
110	383.15	1.4326	1.0515	1.210	461.3	2691	2230	1.4183	7.2387
115	388.15	1.6905	1.559	1.036	482.5	2698	2216	1.4733	7.1832
120	393.15	1.9854	1.0603	0.8917	503.7	2706	2202	1.5277	7.1298
130	403.15	2.7011	1.0697	0.6683	546.3	2721	2174	1.6345	7.0272
140	413.15	3.6114	1.0798	0.5087	589.0	2734	2145	1.7592	6.9304
150	423.15	4.760	1.0906	0.3926	632.2	2746	2114	1.8418	6.8383
160	433.15	6.180	1.1021	0.3068	675.5	2758	2082	1.9427	6.7508
170	443.15	7.920	1.1144	0.2426	719.2	2769	2050	2.0417	6.6666
180	453.15	10.027	1.1275	0.1939	763.1	2778	2015	2.1395	6.5858
190	463.15	12.553	1.1415	0.1564	807.5	2786	1979	2.2357	6.5074
200	473.15	15.551	1.1565	0.1272	852.4	2793	1941	2.3308	6.4318
210	483.15	19.080	1.1726	0.1043	897.7	2798	1900	2.4246	6.3577
220	493.15	23.201	1.1900	0.08606	943.7	2802	1858	2.5179	6.2849
230	503.15	27.979	1.2087	0.07147	990.4	2803	1813	2.6101	6.2133
240	513.15	33.480	1.2291	0.05967	1037.5	2803	1766	2.7021	6.1425
250	523.15	39.776	1.2512	0.05006	1085.7	2801	1715	2.7934	6.0721
260	533.15	46.94	1.2755	0.04215	1135.1	2796	1661	2.8851	6.0013
270	543.15	55.05	1.3023	0.03560	1185.3	2790	1605	2.9764	5.9297
280	553.15	64.19	1.3321	0.03013	1236.9	2780	1542.9	3.0681	5.8573
290	563.15	74.45	1.3655	0.02554	1290.0	2766	1476.3	3.1611	5.7827
300	573.15	85.92	1.4036	0.01164	1334.9	2749	1404.2	3.2548	5.7949
310	583.15	98.70	1.447	0.01832	1402.1	2727	1325.2	3.3508	5.6233
320	593.15	112.9	1.499	0.01545	1462.1	2700	1237.8	3.4495	5.5353
330	603.15	128.65	1.562	0.01297	1526.1	2666	1139.6	3.5522	5.4412
340	613.15	146.08	1.639	0.01078	1594.7	2622	1027.0	3.6605	5.3361
350	623.15	165.37	1.741	0.00880	1671	2565	893.5	3.7786	5.2117
360	633.15	186.74	1.894	0.00694	1762	2481	719.3	3.9162	5.0530
370	643.15	210.53	2.220	0.00493	1893	2331	438.4	4.1137	4.7951
375	647.15	220.87	2.800	0.00347	2032	2147	114.7	4.3258	4.5029

Углекислый газ на линии насыщения

Таблица 4

		,	,	,
-56,6	216.4	5.18	0.849	72.2	301.5	649.4	347.9	3.72	5.3273
-55	218	5.55	0.853	67.6	304.4	649.8	345.4	3.7334	5.3172
-50	223	6.84	0.867	55.4	314.0	651.5	337.4	3.7765	5.2883
-45	228	8.32	0.881	45.8	323.6	652.7	329.1	3.8184	5.2607
-40	233	10.05	0.897	38.2	333.3	654.0	320.7	3.8594	5.2348
-35	238	12.02	0.913	32.0	342.9	654.8	311.9	3.8996	5.2096
-30	243	14.27	0.931	27.0	352.5	655.6	303.0	3.9389	5.1854
-25	248	16.81	0.95	22.9	362.2	656.1	293.9	3.9779	5.1615
-20	253	19.67	0.971	19.5	372.2	656.1	283.9	4.0168	5.1380
-15	258	22.89	0.994	16.6	382.7	656.1	273.4	4.0570	5.1154
-10	263	26.47	1.019	14.2	394.0	655.6	261.7	4.0976	5.0924
-5	268	30.45	1.048	12.1	405.7	654.8	249.1	4.14.07	5.0698
0	273	34.85	1.081	10.4	418.7	653.6	234.9	4.1868	5.0472
5	278	39.72	1.12	8.85	431.6	651.0	219.4	4.2299	5.0179
10	283	45.06	1.166	7.52	445.9	647.3	201.4	4.2781	4.9894
15	288	50.92	1.223	6.32	470.0	641.4	180.4	4.3292	4.9551
20	293	57.33	1.298	5.26	477.3	632.6	155.3	4.3827	4.9128
25	298	64.32	1.417	4.17	497.4	616.7	119.3	4.4497	4.8504
30	303	71.92	1.677	2.99	527.1	590.3	63.2	4.5444	4.7524
31	308	73.51	2.156	2.16	567.3	567.3	0	4.6465	4.6465

19