Лабораторная работа №17

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ температуры кипения воды от давления.

Цель работы:Получить экспериментальную зависимость температуры кипения воды от внешнего давления.

Приборы и оборудование: Вакуумная тарелка, станок, форвакуумный насос, балластный баллон, нагреватель, стакан, термометр, барометр-анероид МД-47, вакуумные шланги.

ТЕОРИЯ МЕТОДА И ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Когда при нагревании жидкости достигается температура, при которой давление насыщенных паров равно внешнему давлению, устанавливается равновесие между жидкостью и её насыщенным паром. При сообщении жидкости дополнительного количества теплоты происходит немедленное превращение соответствующей массы жидкости в пар. Наименьшее давление в жидкости теоретически приходится на её верхние слои, и это превращение жидкости в пар должно, в первую очередь, происходить в верхних слоях. Но, в действительности, разность в давлениях в различных слоях жидкости на практике не очень велика (10 см – 10³Па), и жидкость обычно подогревают снизу. Эти обстоятельства приводят к тому, что интенсивное парообразование происходит по всему объему.

Кипение- интенсивное превращение жидкости в пар по всему объёму жидкости.

Равенство внешнего давления и давления насыщенного пара не является достаточным условием кипения. Необходимо существование центров парообразования – "зародышей"пузырьков пара. В обычной воде ими являются примеси и пузырьки газа. Образующиеся маленькие пузырьки пара не имеют условий для роста: пар в таких пузырьках является перенасыщенным относительно вогнутой поверхности жидкости, которой ограничен рассматриваемый пузырёк. Кроме того, по формуле Лапласа

.

В силу малости радиуса пузырька r увеличение давления на пузырёк весьма значительно. Эти два условия приводят к тому, что вновь возникший пузырёк пара тут же конденсируется и исчезает (схлопывается). На этой стадии слышен сильный шум – вода “закипает”. Таким образом, чистую жидкость можно нагреть без кипения до температуры, значительно превышающую температуру кипения. При внезапном появлении центров парообразования возникает бурное кипение, напоминающее взрыв. На этом явлении основан принцип действия пузырьковых камер. Кипение на различных уровнях в жидкости происходит, строго говоря, при разной температуре, и нет какой-то одной определённой температуры кипения жидкости.

Под температурой кипения жидкости понимают температуру насыщенного пара над поверхностью кипящей жидкости.

Таким образом, она не зависит от того, как происходит кипение жидкости на разной глубине. В силу всего вышесказанного температура кипения зависит от внешнего давления. При повышении давления температура кипения растет, при уменьшении давления – уменьшается. Зависимость температуры кипения tот внешнего давленияpдостаточно точно описывается формулой :

t = 100 + (p-760), (1)

где t- температура кипения воды в градусах Цельсия;p- давление вмм рт.ст.Эта формула носит название гипсотермометрической формулы. Она используется для определения давления на значительных высотах.

Цель данной работы состоит в экспериментальном определении зависимости температуры кипения от внешнего давления и расчёт коэффициента . Измерения проводятся в интервале температур 78-100С.

Рис. 25.1 - кран, 2 - барометр МД-47, 3 - балластный баллон, 4 - станок, 5 - вакуумная тарелка, 6 - вакуумный кран, 7 - стеклянный колпак, 8 - прижимной винт, 9 - резиновый наконечник, 10 - сигнальная лампа, 11 - тумблер, 12 - стакан, 13 - термометр.

Устройство установки понятно из рис. 25. Откачка воздуха форвакуумным насосом из-под колпака производится через балластный баллон для уменьшения скорости понижения давления и повышения точности измерений. Балластный баллон, барометр и вакуумная тарелка соединены через тройник. Станок служит для плотного прижимания стеклянного колпака к резиновой прокладке. Рабочее положение вакуумного крана 6 показано на рис. 26, а крана 1 – на рис. 27.

Рис. 26 Рис. 27

Вакуумный кран 6 может выниматься из гнезда, соединяя откачиваемый объём с атмосферой. Нагрев воды в стакане осуществляется нагревателем (на схеме не показан) на 42 В. Включение нагревателя осуществляется тумблером 11, при этом загорается индикатор 10. Стеклянный колпак со стороны наблюдателя изнутри покрывается поверхностно-активным веществом, чтобы конденсирующийся пар не затруднял наблюдение. Включение насоса осуществляется нажатием чёрной кнопки "ПУСК", "ОСТАНОВ" - красная кнопка.

Так как минимальное давление, которое может измерить барометр равно 300 мм рт.ст., а измерения вблизи нормального давления не очень точны, то интервал температур, в котором проводятся измерения лежит в пределах 78 - 95°С.

ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Подключить шнур питания форвакуумного насоса к розетке 220 В, а шнур нагревателя к розетке 42 В(оба выключателя должны быть выключены).

2. Поставить краны в рабочее положение (рис. 26, 27), откинуть крышку барометра.

3. Нагреть воду в стакане до 80°С. Выключить нагреватель. Включить насос. При появлении бурного парообразования быстро зафиксировать температуру и давление.

ПРИМЕЧАНИЕ:1.Вследствие испарения воды без кипения, температура быстро понижается. Поэтому отсчётная температура будет ниже, чем сразу после выключения нагревателя.

2.Стрелка барометра дрожит в процессе откачки с амплитудой 2-3мм рт.ст.Поэтому в качестве отсчёта брать среднее положение стрелки.

3.Измерения лучше всего производить вдвоём: один сле­дит за барометром, второй - за термометром и водой.

4. Результаты измерений занести в таблицу (разработать самостоятельно).

5. После снятия показаний, вынуть из гнезда вакуумный кран 6, впустить под стеклянный колпак атмосферный воздух и выключить насос.

ВНИМАНИЕ:Во избежание попадания масла в барометр и балласт выключать насос только после того, как под колпак будет впущен воздух.

6. Поставить кран на место.

7. Включить нагреватель и нагреть воду на 4-5 градуса.

8. Произвести измерения также, как в пункте 3.

9. Повторить пункты 4-8 Измерения проводить до 95-96°С.

10. После проведения измерений вынуть шнуры из розеток, вакуумный кран поставить на место, закрыть крышку барометра.

11. Отметить экспериментальные точки на координатной плоскости t,pи аппроксимировать зависимость прямой линией (рис. 28).

Рис. 28

12. Найти коэффициент  из формулы (1) как коэффициент наклона аппроксимирующей прямой.

.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что понимают под температурой кипения?

2. В чем состоит процесс кипения?

3. Когда вода "закипает", слышен сильный шум. Почему ?

4. Почему температура кипения зависит от внешнего давления?

5. В чем состоит принцип действия пузырьковых камер?

6. В процессе кипения пузырьки пара всплывают со дна к поверхности и увеличиваются в размере. Почему?

7. Принцип действия форвакуумного насоса.

8. Принцип действия барометра анероида.