Aleksandra Zowczak (nr 30), Paweł Furmanowski (nr 5) 3A

27 Wyznaczanie ciepła skraplania pary wodnej
1. Zagadnienia teoretyczne
Przemiana fazowa, inaczej przejście fazowe jest to proces, którego wynikiem jest
zmiana fazy danego układu. Każda faza jest trwała w określonym zakresie wartości
temperatury i ciśnienia. Granice tego zakresu wyznaczone są przez krzywe równowagi
fazowej. Temperatura, przy której następuje przejście fazowe, nosi nazwę temperatury
(punktu) danej przemiany fazowej. Podczas tego procesu następuje skokowa zmiana
właściwości fizycznych układu. Rozróżnia się dwa rodzaje przejść fazowych:
1) przejścia fazowe pierwszego rodzaju charakteryzują się skokową zmianą gęstości
oraz funkcji stanu układu takie jak: energia wewnętrzna, entropia, entalpia itp.. Ponadto
procesowi zawsze towarzyszy pochłanianie lub wydzielanie ciepła. Ilość ciepła pochłoniętego
lub wydzielonego przy całkowitym przejściu jednostki masy ciała z jednej fazy w drugą
nazywa się ciepłem przemiany. Przejścia fazowe pierwszego rodzaju, do których należą min.
zmiany stanów skupienia (krzepnięcie, parowanie), opisuje równanie Clapeyrona.
2) przejścia fazowe drugiego rodzaju charakteryzują się skokową zmianą ciepła
właściwego, współczynnika rozszerzalności cieplnej i współczynnika ściśliwości, przy ciągłej
zmianie gęstości i funkcji stanu układu. Podczas tego zjawiska nie następuje ani pochłanianie,
ani wydzielanie ciepła. Przykładem tego jest przejście żelaza w temp. 770oC ze stanu
ferromagnetycznego w stan paramagnetyczny. Do opisu przejść fazowych drugiego rodzaju
stosuje się równania P. Ehrenfesta.
Topnienie- zmiana stanu skupienia z stałego w ciekły. Podczas topnienia pobierane
jest ciepło, które zużywane jest na osłabienie wiązań międzyatomowych i zniszczenie
periodycznej struktury sieci krystalicznej. Ciepło potrzebne do topnienia ciała o jednostkowej
masie (bez zmiany jego temperatury) nazywa się ciepłem topnienia ciała.
Krzepnięcie - proces przechodzenia ciała ze stanu ciekłego w stan stały. Krzepnięcie
wielu substancji zachodzi w określonej temperaturze zwanej temperaturą krzepnięcia. W
miejscu styku substancji w stanie stałym i stanie ciekłym w cieczy i w ciele stałym podczas
krzepnięcia i topnienia jest taka sama temperatura zwana temperaturą topnienia. Temperatura
topnienia jest podawana jako wielkość charakterystyczna dla wielu substancji. Temperatura
topnienia (krzepnięcia) zależy nieznacznie od ciśnienia. Krzepnięciu towarzyszy wydzielanie
ciepła, co jest równoważne temu, że krzepnięcie przy stałym ciśnieniu wymaga
odprowadzenia ciepła z krzepnącej substancji. Rozpoczęcie krzepnięcia jest uzależnione od
obecności w cieczy zarodków krystalizacji lub zanieczyszczeń, na których rozpoczyna się
proces tworzenia kryształów- ich brak prowadzi do wystąpienia cieczy o temperaturze niższej
niż temperatura krzepnięcia, ciecz taka zwana jest cieczą przechłodzoną.
Parowanie (ewaporacja) - proces zmiany stanu skupienia, przechodzenia z fazy
ciekłej danej substancji w fazę gazową (parę) zachodzący z reguły na powierzchni cieczy.
Może odbywać się w całym zakresie ciśnień i temperatur, w których mogą współistnieć z
sobą obie fazy, ale nasila się w wysokiej temperaturze. Proces parowania jest szybszy
również, gdy obniżymy ciśnienie zewnętrzne oraz gdy mamy do czynienia z przepływem
gazu względem powierzchni cieczy. Parowanie zachodzi wtedy, gdy cząsteczka ma
dostatecznie wysoką energię kinetyczną, by wykonać pracę przeciwko siłom przyciągania
między cząsteczkami. Procesem odwrotnym do parowania jest skraplanie pary. Gdy ciśnienie
pary nasyconej zrówna się z ciśnieniem otoczenia, wówczas proces parowania - zwany
wówczas wrzeniem - zaczyna zachodzić również w całej objętości cieczy.
Skraplanie (kondensacja)- zjawisko zmiany stanu skupienia, przejścia substancji z
fazy gazowej w fazę ciekłą. Skraplanie może zachodzić przy odpowiednim ciśnieniu i w
temperaturze niższej od temperatury krytycznej. Zestaw parametrów; ciśnienie i temperatura,
dla których rozpoczyna się proces skraplania nazywany jest punktem rosy. Kondensacja
wiąże się ze zmniejszeniem odległości miedzy cząsteczkami substancji. Spadek temperatury
powoduje, że cząsteczki poruszają się wolniej. Siły oddziaływania między nimi wzrastają, aż
do momentu uzyskania nowego stanu równowagi. Przy tym zachodzi wydzielanie energii w
postaci ciepła. Cząsteczki tworzą zwartą masę, jednak nie powstają między nimi trwałe
wiązania charakterystyczne dla ciał stałych.
2. Przebieg doświadczenia- wyznaczanie ciepła skraplania pary wodnej metodą
kondensacji.
Zmiany temperatury przed wprowadzeniem pary wodnej
t(min)
T(oC)
1
34,5
2
33,8
3
33,5
4
33,2
5
32,8
6
32,4
7
31,9
8
31,6
1. Do kalorymetru o masie ma, w którym znajduje się zimna woda o masie mw i
temperaturze T1 wprowadzamy na 1min wężyk, z którego uchodzi para o temperaturze 100oC.
Przez następne 6-7 min obserwujemy zmiany temperatury notując, co 1 min jej wartość.
Następnie mierzymy masę pary wodnej- mp.
1 min
44,5
T(oC)
2 min
49,5
3 min
53
4 min
55
5 min
55,6
6 min
55,7
Temperatura
60
55
50
T(oC)
45
40
1
2
3
4
5
6
min min min min min min
Czas
ma = 95,6g = 0,0956kg
mw =158,9g = 0,1589kg
mp =9,8g = 0, 0098kg
T1=31,6oC
T2=55,7oC
Cw =4186 J/kgK
Ca =896 J/kgK
2. Korzystając z bilansu cieplnego wyliczamy ciepło parowania wody. Podczas
procesu skraplania, para wodna zmienia się w wodę o tej samej masie oddając ilość ciepła:
Q1 = Lmp
Woda powstałą z pary ochładza się w dalszym ciągu do temperatury końcowej (T2) oddając
ciepło:
Q2 = (100oC - T2)Cwmp
Całkowite ciepło oddane Qo przez skraplaną parę jest równe:
Q1+ Q2= Lmp +(100oC - T2)Cwmp
Ciepło oddane przez parę pobiera chłodna woda w kalorymetrze i naczynie kalorymetryczne.
Więc ciepło pobrane wyrażone jest wzorem:
Qp = (mw Cw + maCa )( T2 - T1 )
Ponieważ ciepło oddane jest równe ciepłu pobranemu, możemy przyrównać stronami dwa
poprzednie równania. Tym sposobem otrzymamy wzór na ciepło skraplania:
-L= ((mw Cw + maCa )( T2 - T1 ) - (100oC - T2)Cwmp)1/ mp
L=((4186*0,1589+896*0,0956)( 55,7 -31,6 )- 0, 0098*4186(100-55,7))/ 0, 0098 J/kg
L= 1660000 J/kg
W rzeczywistości L ( w 20 oC) wynosi 2257000 J/kg. Błąd wynika z niedokładności
pomiarów, urządzeń pomiarowych albo braku precyzji podczas wykonywania doświadczenia
( np. część wody mogła się skroplić w rurce i ściec do kalorymetru). Znając dokładność
pomiarów jesteśmy w stanie wyliczyć błąd pomiaru.
ΔT1 =ΔT2 = 0,1oC
Δmp= Δma= Δ mw = 0,0001kg
ΔL=|((mw Cw + maCa )/ mp)- Cwmp||ΔT2| + |(mw Cw + maCa )/mp||ΔT1| + |( T2 - T1 )Cw/mp|
|Δmw| + |Ca( T2 - T1 )/ mp||Δma| + |((mw Cw + maCa )( T2 - T1 )/ mp2)+ (100oC - T2)Cw||Δmp|
ΔL= (7657,25+ 7661,36+ 1029,41+ 220,34+16711,35)J/kg
ΔL=33200J/kg
L = 1660000J/kg ± 33200J/kg