Дослідження кривої насичення водяної пари

Мета роботи: ознайомитися з процесами фазового переходу речовин, з поняттям теплоти пароутворення і її властивостями; освоїти методику експериментального дослідження кривої насичення водяної пари.

Процеси фазового переходу

Фазовим переходом називають перехід речовини з однієї фази в іншу. Одне і теж речовина в залежності від зовнішніх умов (тиску і температури) може перебувати в різних агрегатних станах.

Речовина в різних агрегатних станах має різні фізичні властивості і, зокрема, щільність. Ця різниця пояснюється характером міжмолекулярної взаємодії.

Фазовий перехід з твердої фази в газоподібну, що відбувається при дуже низькому тиску, називають сублімацією. Теплота сублімації більше, ніж теплота плав-лення і теплота пароутворення.

При фазовому переході зазвичай різко змінюється щільність речовини. При цьому у випадках пароутворення і сублімації щільність газової фази завжди менше, ніж щільність конденсованої фази. Що ж стосується плавлення, то тут для різних речовин можливі різні випадки: щільність твердої фази може бути або більше, або менше щільності рідини.

Прийнята така класифікація точок фазового переходу: точку переходу рідина - пар називають точкою кипіння (вона ж точка конденсатор-ції), точку переходу тверде тіло - рідина - точкою плавлення (вона ж точка затвердіння), а точку переходу тверде тіло-пар - точкою сублімації.

На кривій фазового пере-ходу в рТ -діаграмме стан, в якому співіснують три фази, зображені зітся точкою (так званої потрійною точкою). Найхарактернішою для чистого речовини є потрійна точка, в якій співіснують тверда, жид-кая і парова фази. Для води потрійна точка відповідає температурі 0,01 ° С і тиску 611,7 Па (0,0062 кгс / см 2).

Мал. 4.1рТ - діаграма речовини

На рис. 4.1 зображена характерна рТ-діаграма речовини з нанесеними на ній кривими фазових переходів. Ліворуч від лінії АОВ розташована область твердого стану речовини. Праворуч від лінії КОВ розташована область газо-образного стану речовини, а між лініями ОА і ОК # 8210; область рідкого стану. З РТ діаграми слід, що лінія ОВ є кривою сублімації речовини, лінія ОА - криву плавлення (затвердіння), а лінія ОК - криву кипіння (конденсації). Криву кипіння зазвичай називають кривою (або лінією) насичення. Точка О є потрійну точку, в якій речовина співіснує в трьох агрегатних станах. Крива сублімації ОВ триває вниз в сторону низьких температур. Крива плавлення ОА йде вгору, в бік великих тисків. Лінія насичення ОК закінчується в точці К, званої критичною точкою. Оскільки властивості різних речовин відрізняються один від одного, то і рТ-діаграми будуть різними для різних речовин.

При досягненні критичних параметрів (температури і тиску) речовина переходить сверхкритическое стан. Вище критичних параметрів двофазне стан не можна досягти. У сверхкритическом стані є вільні молекули і численні слабо пов'язані кластери молекул. Відстань між частинками (молекулами і кластерами) значно більше, ніж в класичній рідини, але набагато менше, ніж в звичайних газах. Усередині кластерів молекули розташовуються хаотично. Енергія взаємодії молекул в кластерах мала. У той же час швидкості, з якими окремі молекули входять в кластери і залишають їх, дуже високі. Звідси випливає виключно низька в'язкість і одночасно висока дифузійна здатність сверхкритической середовища. Щільність сверхкритической середовища близька до щільності рідини, що забезпечує високу розчиняють здатність. Сукупність цих властивостей лежить в основі практичного використання речовин в сверхкритическом стані.

З рис. 4.1 видно, що лінія сублімації і лінія насичення мають поклади-вальний нахил. Це означає, що з ростом тиску температура фазового переходу (сублімація і кипіння) підвищується. Така закономірність справед-лива для всіх відомих чистих речовин. Лінія плавлення для різних речовин може мати як позитивний, так і негативний нахил.

З рТ-діаграми (рис. 4.1) видно також, як змінюється стан речовини в процесі нагрівання при постійному тиску. Рухаючись по ізобарі р1 = const з області, що відповідає твердому станом речовини, лінія плавлення перетинається в точці С - речовина переходить в рідкий стан. При подальшому нагріванні перетинається лінія насичення ОК в точці D - речовина перетворюється в пар. Подальше просування по ізобарі р1 = const в сторону високих температур відповідає нагріванню речовини в газовій фазі.

Питома теплота пароутворення показує кількість теплоти, необхідне для перетворення 1 кг рідини в пару при температурі кипіння.

Питома теплота пароутворення визначається з формули:

де Q - кількість теплоти, Дж; m - маса тіла, кг.

Дослідним шляхом знайдені значення питомої теплоти пароутворення різних речовин і складені таблиці. Питома теплота пароутворення води дорівнює 2,257 МДж / кг. Це означає, що на кожен кілограм води необхідно витратити кількість енергії, що дорівнює 2,257 МДж, щоб перетворити її на пару. Але при цьому вода повинна вже мати температурою кипіння. Якщо вода спочатку була з більш низькою температурою, то необхідно розрахувати кількість теплоти, яке буде потрібно для підігріву води до кипіння.

Розрізняють два види пароутворення: кипіння і випаровування. Процес кипіння протікає інтенсивно у всьому обсязі при строго певній температурі (кипіння). Випаровування відбувається тільки з вільної поверхні рідини при будь-якій температурі вище температури плавлення.

Ентальпія сухого насиченої пари i "визначається рівнянням:

де i '- ентальпія рідини.

Внутрішня енергія сухого насиченої пари:

u "= i" - p # 965; ". (4.3)

Для визначення сухого насиченої пари необхідне знання тиску або температури. Вологий пар визначається тиском р або температурою tн і ступенем сухості х.

Ентальпія вологої пари iх визначається рівнянням:

Внутрішня енергія вологої пари ux дорівнює:

де # 965; x - питома обсяг вологої пари, який визначається як обсяг суміші, що складається з сухого пара # 965; "і води # 965; ' :

Кожному тиску відповідає певна температура кипіння даної рідини, що є одночасно температурою насичення пара Тн. з якої рідина знаходиться в рівновазі.

Зв'язок між температурою і тиском насичення виражається рівнянням Клапейрона-Клаузіуса:

оскільки # 965; "> # 965; ' для фазового переходу «рідина-пар», як це випливає з рівняння, ставлення - завжди більше нуля, тобто з ростом температури тиск насичення збільшується.

Рівняння Клапейрона-Клаузіуса встановлює зв'язок між похідною тиску по температурі, калоріческой (r) і термодинамічними (Тн. # 965; '. # 965; ") властивостями речовини, що знаходиться в різних агрегатних станах.

Завдання 1. Яка кількість енергії (теплоти) потрібно для перетворення на пару 2 кг води при температурі t?

1. Дати визначення процесам: кипіння, випаровування, випаровування.

2. Процеси сублімації і плавлення.

3. Потрійна точка і критична точка. Надкритичної стан.

4. Визначення теплоти пароутворення. рівняння Клапейрона-

Схема експериментальної установки для визначення залежності тиску насичення води від температури в двофазної області в процесі ізохоричного охолодження представлена ​​на рис. 4.2. Використовуючи цю залежність і рівняння Клапейрона - Клаузіуса розраховується теплота пароутворення r.

Посудина високого тиску 1. обмотаний електронагрівачем 2. інтенсивно охолоджується вентилятором 4. Зовні посудину ізольований кожухом 6. Для автоматичного відключення нагрівача передбачений контактний манометр 7. Надмірний тиск в посудині вимірюється зразковим манометром 8. Різниця температур насичення і навколишнього повітря вимірюється диференціальної термопарою 9. яка з'єднана з гальванометром 10. В установці передбачені перемикачі електрообігрівача 3 і вентилятора 5.

В замкнутий посудину високого тиску 1 налито таку кількість води, при якому питома обсяг # 965; х двухфазной системи «рідина - пар» (вологого насичення пара) дорівнює критичного значення:

Мал. 4.2. Схема експериментальної установки

де V - об'єм посудини, заповнений системою «рідина - пар», м 3;

М - маса системи «рідина - пар», кг;

# 965; кр - питомий об'єм системи в критичній точці, м 3 / кг.

В результаті ізохоричного охолодження (# 965; х = const) система буде весь час перебувати в двофазному стані, починаючи з критичної точки.

Порядок проведення дослідів

Перед початком досвіду необхідно включити електронагрівач. При досягненні тиску 220 кгс / см 2 (37 ступенів) відключити електронагрівач і включити вентилятор. Надалі при Ізохоричний охолодженні системи «рідина - пар» через кожні 4 поділу записати в табл. 4.4 показання зразкового манометра і гальванометра.

Після закінчення дослідів (Різб = 5 ступенів) відключити вентилятор, виміряти температуру навколишнього середовища tокр і атмосферний тиск В. Результати вимірювань занести в таблицю досвідчених даних (табл. 4.4).