Ć W I C Z E N I E N R C-5

Transkrypt

1 INSTYTUT FIZYKI WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI I TECHNOLOGII ATERIAŁÓW POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA PRACOWNIA ECHANIKI I CIEPŁA Ć W I C Z E N I E N R C-5 WYZNACZANIE CIEPŁA PAROWANIA WODY ETODĄ KALORYETRYCZNĄ

2 Ćwiczenie C-5: Wyznaczanie cieła arowania wody metodą kalorymetryczną I. Zagadnienia do oracowania 1. Pojęcie cieła i temeratury z unktu widzenia kinetyczno-molekularnej teorii budowy materii. 2. Definicje cieła właściwego i cieła arowania oraz jednostki tych wielkości. 3. Zasada bilansu cielnego 4. Pomiar cieła arowania za omocą kalorymetru, wyrowadzenie wzoru. 5. Rachunek błędu metodą różniczki zuełnej. II. Wrowadzenie teoretyczne Parowanie jest jedną z rzemian fazowych, olegającą na rzejściu ciała ze stanu ciekłego w stan lotny od wływem dostarczonego cieła. Zjawisko arowania tłumaczy się tym, że zarówno w cieczach jak i w gazach cząsteczki mają różne energie w danej temeraturze. Istnieją zatem w danej temeraturze cząsteczki o tak dużej energii, że są w stanie okonać siły sójności i wydobyć się na zewnątrz cieczy Powoduje to obniżanie się energii cząstek, które nie uległy wyarowaniu i temeratura cieczy obniża się. Aby roces arowania miał rzebieg izotermiczny, należy dostarczyć tej cieczy określoną ilość cieła. Ciecz aruje w każdej temeraturze w której istnieje jako ciecz Szybkość arowania zależy od rodzaju cieczy, temeratury, wielkości owierzchni arującej oraz od rzewiewu. Z rysunku 1 wynika, że dostarczanie cieła na odcinku AB owoduje liniowy wzrost temeratury cieczy aż do osiągnięcia temeratury wrzenia T w. Dalsze ogrzewanie odcinek BC nie owoduje wzrostu temeratury cieczy, ale dostarczone cieło jest w całości zużyte na realizację rzemiany fazowej. Na odcinku CD ogrzewanie owoduje wzrost energii cząstek ary. Rys. 1. Zmiany temeratury w rocesie ogrzewania cieczy od stałym ciśnieniem. Wrzenie, jest to arowanie cieczy całą jej objętością. Zachodzi ono wówczas, gdy ciśnienie ary nasyconej jest równe ciśnieniu anującemu nad owierzchnią cieczy. Wzrost ciśnienia zewnętrznego owoduje zmniejszenie szybkości arowania. Na rys.2 rzedstawiono zależność temeratury wrzenia wody w zależności od ciśnienia zewnętrznego. Temeratura wrzenia czystej chemicznie wody wynosi 2

3 Ćwiczenie C-5: Wyznaczanie cieła arowania wody metodą kalorymetryczną T w =373 K od ciśnieniem =1013 hpa. Jeżeli wodę zanieczyścimy orzez rozuszczenie w niej soli lub cukru wówczas temeratura wrzenia będzie inna niż czystej wody. Rys. 2. Zależność temeratury wrzenia wody od ciśnienia zewnętrznego. Cieło obrane do wyarowania ewnej masy cieczy wynosi: Q m r (1) gdzie: m masa cieczy; r cieło arowania stąd: Q J r (2) m kg Ciełem arowania nazywamy ilość ciełą, jaką należy dostarczyć 1 kg cieczy, aby zamienić ją w arę o tej samej temeraturze. Cieło arowania zależy od rodzaju cieczy i temeratury. Ze wzrostem temeratury cieło arowania maleje i w temeraturze krytycznej T k zdąża do zera, bo zanika różnica omiędzy cieczą i jej arą nasyconą. Para skralając się oddaje dokładnie taką samą ilość cieła, jaką obrała ciecz w czasie arowania. Na tej odwracalności oarte jest wyznaczanie cieła arowania metodą skralania. III. Zasada omiaru (zasada bilansu cielnego) Do kalorymetru (wewnętrzne naczynie) o masie m 1 = K wlewamy ewną ilość wody. Jeżeli masa kalorymetru z wodą wynosi m 2, to masa wody jest równa w = m 2 m 1. Temeratura oczątkowa wody i kalorymetru wynosi T 1. Do tej wody wrowadzamy ewną ilość ary wodnej o temeraturze T 2, która skrala się na wodę o tej samej masie i temeraturze. Rośnie masa układu kalorymetr - woda do wartości m 3. Ale różnica mas m 3 m 2 = jest masą skrolonej ary. Para skralając się oddaje cieło 3

4 Ćwiczenie C-5: Wyznaczanie cieła arowania wody metodą kalorymetryczną a nastęnie woda owstała z tej ary oddaje cieło i oziębia się do temeratury końcowej T 3. Kalorymetr z wodą ogrzewa się do temeratury T 3. Cieło obrane rzez wewnętrzne naczynie kalorymetryczne wynosi: gdzie: 1 K K 3 1 c K cieło właściwe kalorymetru aluminiowego. Cieło obrane rzez wodę w kalorymetrze Q c T T (3) 2 w w 3 1 Q c T T (4) gdzie: c w cieło właściwe wody. Cieło obrane rzez kalorymetr i wodę wynosi Cieło oddane rzez arę o skroleniu wynosi Q c c T T (5) K K w w gdzie: r cieło arowania wody. Cieło oddane rzez wodę owstałą o skroleniu ary wynosi 3 1 Q3 r (6) 4 w 2 3 Cieło oddane rzez arę i wodę owstałą z ary wynosi Q c T T (7) o w 2 3 Q r c T T (8) Zakładając, że kalorymetr stanowi układ zamknięty, to w oarciu o zasadę bilansu cielnego można naisać, że Q = Q o i na odstawie równań ( 5 ) i ( 8 ) mamy : c c T T r c T T (9) K K w w 3 1 w 2 3 Po rzekształceniu równania ( 9 ) otrzymujemy wzór na cieło arowania r c c T T K K w w 3 1 w 2 3 (10) r c T T IV. Zestaw omiarowy Waga laboratoryjna, komlet odważników, kalorymetr, termometr, maszynka, układ arowania wody. V. Przebieg ćwiczenia 1. Na włączony grzejnik wstawiamy szklaną kolbę z wodą w celu dorowadzenia jej do wrzenia. 2. Na wadze szalkowej wyznaczamy masę wewnętrznego naczynia kalorymetru z mieszadełkiem m 1 = k 3. Wlewamy wodę do tego naczynia (1/3 objętości ) i wyznaczamy masę układu m 2. asa wody jest równa w = m 2 m 1. 4

5 Ćwiczenie C-5: Wyznaczanie cieła arowania wody metodą kalorymetryczną 4. Wkładamy naczynie do obudowy kalorymetru i odczytujemy oczątkową temeraturę wody w kalorymetrze T Gumową rurkę z wydobywającą się arą wodną wkładamy do kalorymetru i dorowadzamy arę tak długo, aż temeratura wody w kalorymetrze wzrośnie o około 10 C. W czasie dorowadzania ary wodnej do kalorymetru ciągle mieszamy wodę w kalorymetrze. Nastęnie wyciągamy z kalorymetru wąż dostarczający arę wodną. 6. ierzymy końcową temeraturę wody w kalorymetrze T Wyznaczmy masę układu m 3. Różnica mas m 3 - m 2 = stanowi masę skrolonej ary. 8. Wyniki omiarów wisujemy do Tabeli Pomiary owtórzyć trzy razy. VI. Tabela omiarowa m 1 = K m 2 w =m 2 m 1 m 3 =m 3 m 2 T 1 [K] T 3 [K] r [10 6 J/kg] r śr [10 6 J/kg] J Uwaga! c w =..., kg K J c k =... kg K odczytać z tablic. Ponieważ temeratura wrzenia wody T 2 zależy od ciśnienia atmosferycznego, należy odczytać w racowni wartość ciśnienia atmosferycznego i korzystając z tablic fizycznych odczytać temeraturę wrzenia wody. VII. Oracowanie wyników 1. Obliczyć wartość cieła tonienia lodu ze wzoru: 2. Obliczyć wartość średnią r śr. ( kck wcw) T3 T1 r cw T T 2 3 VIII. Rachunek błędu 1. Obliczyć błąd bezwzględny r metodą różniczki zuełnej: r r r r r r T T T T k w L k w L

6 Ćwiczenie C-5: Wyznaczanie cieła arowania wody metodą kalorymetryczną gdzie: k m1 m - dokładność wagi w m m m m m m m m m m T1 T3 T Po wykonaniu oeracji różniczkowania i zastosowaniu oeracji modułu otrzymujemy: Gruując wyrazy z T T T T T T r c c c c K K w w 2 K K w w c c c c c T T c T K K w w K K w w w 3 1 w 2 m i T, otrzymujemy ostateczny wzór na r : T T c c c c 2 2 K K w w 2 K K w w 3 1 r ck cw m T cw T2 T3 2. Obliczyć błąd względny. 3. Przerowadzić dyskusję uzyskanych wyników i orównać uzyskaną wartość średnią r śr z wartościami tablicowymi i wskazać na źródła ewentualnych różnic. IX. Literatura 1. J.. assalscy - Fizyka dla inżynierów tom I, WNT, Warszawa, 1971 r 2. R. Szydłowski - Pracownia fizyczna PWN, Warszawa, 1999 r 3. T. Dryński Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki", PWN, Warszawa, 1976r; 4. T. Rewaj i inni Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki w Politechnice PWN, Warszawa,1978 r 5. J. Lech Oracowanie wyników omiarów w laboratorium odstaw fizyki, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Wydział Inżynierii Procesowej, ateriałowej i Fizyki Stosowanej, Częstochowa 2005r. 6