Определение удельной теплоты парообразования воды

Дата: 2025-04-30; Просмотры: 2
Оценка:
0.00 из 5.00 — оценок
Скачиваний: 0

Цель работы: определить удельную теплоту парообразования.

Приборы и материалы: 1) калориметр, 2) сухопарник, 3) кипятильник,

4) электроплитка, 5) разновесы, 6) термометр,

7) весы.

Основные теоретические положения

Удельной теплотой парообразования называется количество теплоты, необходимое для обращения единицы массы жидкости, взятой при температуре кипения, в пар при той же температуре. Эта теплота не увеличивает температуры вещества, а идет на преодоление внутренних сил сцепления между молекулами жидкости и на совершение работы расширения (против внешних сил).

Определение удельной теплоты парообразования калориметрическим путем основано на том факте, что при конденсации паров выделяется такое же количество тепла, которое было затрачено на образование этой же массы пара. В калориметр С (см. рисунок) массой m1 вливается m2 воды и погружается змеевик D с массой mЗ. Начальная температура воды, калориметра и змеевика t1. Из кипятильника А через сухопарник В в змеевик пропускается пар, где он конденсируется, выделяя теплоту конденсации, численно равную теплоте парообразования; жидкость, образовавшаяся при этом, остывает.

Выделяющаяся теплота расходуется на нагревание змеевика, калориметра и воды от t1 до некоторой окончательной температуры θ.

Пусть масса сконденсированного в змеевике пара М, удельная теплота парообразования λ. Количество теплоты, выделившееся при конденсации пара, равно Q1 = М λ.

При остывании М граммов воды от температуры кипения t2 до θ выделяется теплота

 

Q 2 =с M ( t 2 –θ),

где с – удельная теплоемкость воды.

На нагревание калориметра от t2 до θ в расходуется теплота

 

Q з = m 1 c 1 (θ– t 1 ),

где с1 — удельная теплоемкость вещества калориметра.

На нагревание в калориметре воды от t1 до θ необходима теплота

 

Q 4 = m 2 с (θ– t 1 ).

Для нагревания змеевика от t1 до θ необходимо

 

Q 5 = m з c 2 (θ– t 1 ),

где с2 — удельная теплоемкость вещества змеевика.

Пренебрегая потерями тепла в окружающее пространство, можно считать

 

Q 1 + Q 2 = Q З + Q 4 + Q 5,

 

или M λ + M с( t 1 – θ ) = ( m 1 c 1 + m 2 с + m З c 2 ) ( θ – t 1 ),

откуда

 

λ = ( m 1 c 1 + m 2 + m З c 2 ) ( θ – t 1 ) _ с (t2 – θ)

M

 

Порядок выполнения работы

 

Включив кипятильник А, путем взвешивания находят массы внутреннего сосуда калориметра с мешалкой m1 и змеевика mЗ и наливают в калориметр столько воды, чтобы были покрыты обороты змеевика. Опуская в калориметр змеевик и термометр, измеряют начальную температуру t 1 и определяют по барометру атмосферное давление, а по таблице находят температуру кипения воды при этом давлении (t 2). Когда из трубки сухопарника В пар пойдет достаточно сильно, соединяют сухопарник со змеевиком и следят за температурой в калориметре, помешивая находящуюся в нем воду мешалкой. После того, как температура в калориметре поднимется на 6—7°, пропускание пара прекращают и отделяют змеевик от сухопарника. Продолжая помешивать воду в калориметре, следят за температурой и записывают наибольшую температуру, какая будет достигнута. Это и будет окончательная температура θ. Затем вынимают змеевик с конденсированной водой из калориметра, высушивают его снаружи и взвешивают. Масса сконденсированного пара равна

 

М = m 5 – m З ,

где m5 — масса змеевика и образовавшейся в нем воды. Удельную теплоту парообразования можно вычислить по формуле (1).

Отчетная таблица

Масса калориметра с мешалкой (m1) Масса змеевика (mЗ) Масса калороиметра с мешалкой и водой (m4) Масса воды (m2) Масса змеевика и конденсированного пара (m5) Масса конденсированного пара (M) Начальная температура в калориметре (t1) Атмосферное давление (H) Температура кипения воды (t2) Окончательная температура (θ) Удельная теплоёмкость калориметра (с1) Удельная теплоёмкость змеевика (с2) Удельная теплоемкость воды Удельная теплота парообразования (χ)
                     

 

  

 

Задачи:

 

1. Какое нужно количество теплоты, чтобы 100 г воды при 100С довести до кипения и 10 г ее испарить?

Ответы: 1)45,3.103 Дж; 2) 60,3.103 Дж; 3) 32,3.103 Дж; 4) 18,4.104 Дж; 5) 12,8.104 Дж.

 

2. К сосуду, в котором находилось 2 л воды при 200С было подведено 1050 кДж теплоты. Определить массу пара, образовавшегося при кипении воды:

Ответы: 1) 0,32 кг; 2) 0,12 кг; 3) 0,17 кг; 4) 0,85 кг; 5) 0,55 кг.

 

3. Какое количество теплоты выделится при конденсации 20 г водяного пара при 1000С и охлаждении полученной воды до 200С?

Ответы: 1) 52 кДж; 2) 58 кДж; 3) 123 кДж; 4) 35 кДж; 5)44 кДж.

 

4. С какой высоты должны упасть дождевые капли, температура которых 200С, чтобы при ударе о Землю они испарились? Сопротивление воздуха не учитывать.

Ответы: 1) 29,3.102 м; 2) 51,7.103 м; 3) 26,5.104 м; 4) 21,7.104 м; 5) 18,3.103 м.

 

5. Имеется 200 г спирта при температуре 200С. Какое количество теплоты нужно израсходовать, чтобы превратить жидкость в пар?

Ответы: 1)4,3.102Дж; 2) 2.105Дж; 3) 6,2.104Дж; 4) 4,8.103Дж; 5) 5.105Дж.

 

6. Алюминиевый калориметр массой 50 г содержит 200 г воды при 160С. Какое количество пара нужно ввести в калориметр, чтобы температура в нем повысилась до 900С?

Ответы: 1) 22,5 г; 2) 40 г; 3) 35 г; 4) 42,5 г; 5) 62 г.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Какова цель работы?

2. Что называется удельной теплотой парообразования?

3. Как подсчитать количество теплоты, выделившееся при конденсации

пара?

4. Как меняется температура кипения с изменением давления?

5. Вывести подробно рабочую формулу.

 

 

 

Физические свойства некоторых веществ

Таблица 1

Твердые тела

№ Вещество Плотность, кг/м3 Модуль Юнга, Па Удельная теплоемкость, Дж/(кгК) Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК) Коэффициент линейного расширения, 1/К Температура плавления, 0С Удельная теплота плавления, Дж/кг
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 Алюминий 2,7.103 7,0.1010 895 200 24.10–6 660 32.104
2 Дуб сухой 0,8.103 1,3.1010 1380 0,17      
3 Каучук 0,94.103 0,5.109          
4 Кварц плавленый 2,2.103 7,3.1010 3500 1 57.10–8    
5 Латунь 8,5.103 9,0.1010 390 110 19.10–6 900 33.104
6 Лед 0,92.103 0,3.1010 21.102 2,5 51.10–6 0 34.104
7 Манганин 8,4.103 12.1010 420 22 18.10–6    
8 Медь 8,8.103 12.1010 395 380 16.7.10–6 1083 22.104
9 Никель 8,8.103 21.1010 460 58   1453 30.104
10 Нихром 8,4.103     17,5 12.10–6 1100  
11 Олово 7,3.103 5,3.1010 280 66 23.10–6 232 5,9.104
12 Платина 21,5.103 17.1010 120 69 9,1.10–6 1769 10,5.104
13 Пробка 0,24.103   2890 42.10–2      

 

Продолжение таблицы 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9
14 Свинец 11.103 1,6.1010 125 35 29.10–6 327 2,3.104
15 Серебро 10,5.103 7,7.1010 235 420 19,7.10–6 960 10,5.104
16 Слюда 2,9.103   880 0,6      
17 сталь 7,85.103 22.1010 470 46 10,6.10–6    
18 Стекло 2,6.103 6.1010 670 0,67 8.10–6    
19 Фарфор 2,3.103   12.102 1,05 4.10–6    
20 Цинк 7,0.103 8.1010 390 110 29.10–6 419 10,5.104
21 Чугун 7,1.103 12.1010     11,4.10–6    
22 Шпат исландский 2,7.103            
23 Эбонит 1,2.103   1680 0,17 84.10–6    

 

Таблица 2

2. Некоторые астрономические величины.

Наименование Значение
Средняя плотность Земли 5500 кг/м3
Масса Земли 5,96.10 24 кг
Радиус Солнца 6,95.10 8 м
Масса Солнца 1,97.10 30 кг
Радиус Луны 1,74.10 6 м
Масса Луны 7,33.10 22 кг
Среднее расстояние от центра Земли до центра Солнца 1,49.10 11м
Расстояние от центра Земли до центра Луны 3,84.10 8 м  

 

Таблица 3

Ускорение силы тяжести (свободного падения) для различных широт на уровне моря

Широта (град) g(m/c2) Широта (град) g(m/c2)
0 10 20 30 40 50 9,78030 9,78186 9,78634 9,79321 9,80166 9,81066 60 70 80 90 Москва Одесса 9,81914 9,82606 9,83058 9,83216 9,81523 9,8076

 

Таблица 4

Жидкости

№ п/п Вещество Плотность, кг/м3 Коэффициент объемного расширения, 1/К Удельная теплоемкость, Дж/(кгК) Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК) Температура плавления, 0С Удельная теплота плавления, Дж/кг Температура кипения, 0С Теплота парообразования, Дж/кг Коэффициент внутреннего трения при 200С, Па.с Коэффициент поверхностного натяжения при 200С, Н/м
1 Анилин 1,03.103 8,5.10–4 2150 17,2.10–2     184,2   4,39.10–3 43.10–3
2 Ацетон 0,8.103 14.10–4 2180   –94,3   56,7 52,5.104 0,32.10–3 24.10–3
3 Бензол 0,85.103 12.10–4 1710   +5,5 12,7.104 80,2 39,4.104 0,65.10–3 29.10–3
4 Вода 0,998.103 1,8.10–4 4187 58.10–2 0 33,4.104 100 22,6.105 1,1.10–3 73.10–3
5 Глицерин 1,3.103 5.10–4 2430 29.10–2 –20 17,6.104 290   1,39 66.10–3
6 Керосин 0,78.103 9.10–4 2140 15.10–2         0,18 24.10–3
7 Ртуть 13,6.103 1,8.10–4 138,5   –38,9 11,7.103 357 27.104 1,59.10–3 0,5
8 Серная кислота 1,83.103 5,6.10–4             27.10–3 55.10–3
9 Скипидар 0,85.103 9,6.10–4 1760 14.10–2     161      
10 Спирт этиловый 0,79.103 11.10–4 2430 17,5.10–2 –114   78,3 84,3.104 1,2.10–3 22.10–3
11 Эфир   16.10–4 2340   –116 11,3.104 34,6 37.104    

 

Таблица 5

Газы

№ п/п   Газ Плотность при нормальных условиях Термический коэффициент давления, 1/К Удельная теплоемкость при постоянном давлении и t=180С, Дж/кгК Отношение теплоемкостей, cp/cv Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК) Температура плавления, 0С Температура кипения, 0С Теплота парообразования, Дж/кг Коэффициент внутреннего трения, Па.с
1 Азот 1,25 367.10–5 1043 1,40 2,37.10–2 –210 –195,8 2,01.105 17.10–6
2 Водород 0,09 366.10–5 14278 1,41 15,7.10–2 –259 –252,7 4,61.105 8,4.10–6
3 Воздух 1,293 367.10–5 1010 1,40 2,37.10–2   –193 2,09.105 17.10–6
4 Двуокись азота 1,98 368.10–5 879 1,28 1,47.10–2 –102 –90   14.10–6
5 Кислород 1,43 367.10–5 912,8 1,40 2,39.10–2 –218 –183 2,14.105 19.10–6
6 Окись углерода 1,25 367.10–5 1047 1,40 2,14.10–2 –199 –190   17.10–6
7 Углекислый газ 1,98 373.10–5 845,8 1,30 2,39.10–2 –57 –78,5 5,95.105 14.10–6

Таблица 6

Давление насыщающих водяных паров и их плотность при различных температурах

 

t, 0C r, мм рт.ст. r, кг/м3 t, 0C r, мм рт.ст. r, кг/м3
–10 1,95 2,14.10–3 16 13,6 1,36.10–2
–5 3,01 3,24.10–3 17 14,5 1,45.10–2
–4 3,28 3,51.10–3 18 15,5 1,54.10–2
–3 3,57 3,81.10–3 19 16,5 1,63.10–2
–2 3,88 4,13.10–3 20 17,5 1,73.10–2
–1 4,22 4,47.10–3 21 18,7 1,83.10–2
      22 19,8 1,94.10–2
0 4,6 4,8.10–3 23 21,1 2,06.10–2
1 4,9 5,2.10–3 24 22,4 2,18.10–2
2 5,3 5,6.10–3 25 23,8 2,30.10–2
3 5,7 6,0.10–3 26 25,2 2,44.10–2
4 6,1 6,4.10–3 27 26,7 2,58.10–2
5 6,6 6,8.10–3 28 28,4 2,72.10–2
6 7,0 7,3.10–3 29 30,0 2,87.10–2
7 7,5 7,8.10–3 30 31,8 3,03.10–2
8 8,0 8,3.10–3 40 55,3 5,12.10–2
9 8,6 8,8.10–3 50 92,5 8,30.10–2
10 9,2 9,4.10–3 60 149,4 1,30.10–1
11 9,8 1,00.10–2 80 355,1 2,93.10–1
12 10,5 1,07.10–2 100 760,0 5,98.10–1
13 11,2 1,14.10–2 120 1489,0 1,123
14 12,0 1,21.10–2 160 4636 3,259
15 12,8 1,28.10–2 200 11661 7,763

 

Таблица 7

Психометрическая таблица для определения относительной влажности воздуха

Показания сухого термометра (0С)

Разность показаний сухого и влажного термометров (град)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
0 100 82 63 45 28 11            
1 100 83 65 48 32 16            
2 100 84 68 51 35 20            
3 100 84 69 54 39 24 10          
4 100 85 70 56 42 28 14          
5 100 86 72 58 45 32 19 6        
6 100 86 73 60 47 35 23 10        
7 100 87 74 61 49 37 26 14        
8 100 87 75 63 51 40 28 18 7      
9 100 88 76 64 53 42 31 21 11      
10 100 88 76 65 54 44 34 24 14 4    
11 100 88 77 66 56 46 36 26 17 8    
12 100 89 78 68 57 48 38 29 20 11    
13 100 89 79 69 59 49 40 31 23 14 6  

 

Продолжение таблицы 7

 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
14 100 90 79 70 60 51 42 33 25 17 9  
15 100 90 80 71 61 52 44 36 27 20 12 5
16 100 90 81 71 62 54 45 37 30 22 15 8
17 100 90 81 72 64 55 47 39 32 24 17 10
18 100 91 82 73 64 56 48 41 34 26 20 13
19 100 91 82 74 65 58 50 43 35 29 22 15
20 100 91 83 74 66 59 51 44 37 30 24 18
21 100 91 83 75 67 60 52 46 39 32 26 20
22 100 92 83 76 68 61 54 47 40 34 28 22
23 100 92 84 76 69 61 55 48 42 36 30 24
24 100 92 84 77 69 62 56 49 43 37 31 26
25 100 92 84 77 70 63 57 50 44 38 33 27
26 100 92 85 78 71 64 58 51 45 40 34 29
27 100 92 85 78 71 65 59 52 47 41 36 30
28 100 93 85 78 72 65 59 53 48 42 37 32
29 100 93 86 79 72 66 60 54 49 43 38 33
30 100 93 86 79 73 67 61 55 50 44 39 34


 

 

Таблица 8

Значения коэффициентов Стьюдента для доверительной вероятности Р и числа измерений n

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.95 0.98 0.999
2 1 1.36 2.0 3.1 6.3 12.7 31.8 636.6
3 0.82 1.06 1.4 1.9 2.9 4.3 7.0 31.6
4 0.77 0.98 1.3 1.6 2.4 3.2 4.5 12.9
5 0.74 0.94 1.2 1.5 2.1 2.8 3.7 8.6
6 0.73 0.92 1.2 1.5 2.0 2.6 3.4 6.9
7 0.72 0.90 1.1 1.4 1.9 2.4 3.1 5.9
8 0.71 0.90 1.1 1.4 1.9 2.4 3.0 5.4
9 0.71 0.90 1.1 1.4 1.9 2.3 2.9 5.0
10 0.70 0.88 1.1 1.4 1.8 2.3 2.8 4.8
15 0.62 0.87 1.1 1. 1.8 2.1 2.6 4.1
20 0.69 0.86 1.1 1.3 1.7 2.1 2.5 3.9