Ćwiczenie Nr 111

Ćwiczenie Nr 111
Temat:
Wyznaczanie zależności temperatury wrzenia wody od ciśnienia.
1. Literatura:
1. B. Jaworski, B. Dietłaf – Kurs fizyki, t.1, PWN, W-wa
2. E. Reif – Fizyka statystyczna, PWN, W-wa
3. Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki na politechnice- praca zbiorowa pod
redakcją T. Rewaja
4. B. Turczak - http://labor.zut.edu.pl/wfc6.html
2. Tematy teoretyczne:
1. Parowanie cieczy, wrzenie, para nasycona(*) i nienasycona, ciepło parowania.
2. Zależność temperatury wrzenia wody od ciśnienia, punkt potrójny, punkt krytyczny,
jednostki ciśnienia(**).
3. Metoda pomiarowa:
Za pomocą rotacyjnej pompy próżniowej wytwarzamy nad powierzchnią
wody takie podciśnienie (w stosunku do aktualnie panującego ciśnienia
atmosferycznego), aby doprowadzić wodę do wrzenia w temperaturze
pokojowej. Następnie zwiększamy stopniowo ciśnienie, podgrzewamy wodę i
mierzymy temperaturę wrzącej wody przy różnych wartościach ciśnienia.
4. Zestaw doświadczalny:
Kolba z wodą podgrzewana elektrycznie, autotransformator, termometr,
manometr rtęciowy, pompa próżniowa, butla szklana o dużej objętości
5. Wykonanie ćwiczenia:
a) Zamknąć zawór wlotu powietrza. (podkreślono nazwy użyte na rysunku)
b) Otworzyć zawór odcinający, który włącza automatycznie pompę
próżniową. Jeśli pompa nie włączy się, sprawdzić, czy bezpiecznik
sieciowy w stole laboratoryjnym jest włączony.
c) Odkręcić kran wodny, do którego podłączona jest chłodnica.
d) Odczekać 2-3 minuty, aż w kolbie wytworzy się znaczne podciśnienie i
włączyć ogrzewanie kolby, przekręcając pokrętło autotransformatora w
prawo do oporu.
e) Gdy woda w kolbie zaczynie wrzeć zanotować temperaturę wrzenia wody,
odczytując wskazanie termometru elektronicznego.
f) Zanotować wysokość słupka rtęci w obu ramionach manometru (h1 i h2).
g) Wyłączyć pompę próżniową za pomocą za pomocą zaworu odcinającego
sprzężonego z wyłącznikiem.
h) Za pomocą zaworu wlotu powietrza wpuścić nieco powietrza do kolby,
tak, aby słupek rtęci w prawym ramieniu manometru opadł o ok. 2cm.
i) Gdy woda w kolbie zaczynie wrzeć zapisać temperaturę wrzenia wody.
j) Zanotować wysokość słupka rtęci w obu ramionach manometru (h1 i h2).
k) Czynności opisane w punktach h, i, j powtarzać aż do zrównania ciśnienia
powietrza wewnątrz kolby z ciśnieniem atmosferycznym (h1=h2).
l) Odczytać ciśnienie atmosferyczne b wskazywane przez wiszący w
laboratorium na ścianie barometr.
m) Wyniki zebrać w tabeli:
t
Nr
pom.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
[oC]
Poziom rtęci
w manometrze
h1
h2
[mm Hg] [mm Hg]
p1 =h1-h2
b
p=b-p1
[mm
[mm Hg]
[mm Hg]
Hg]
p
[Pa]
ln p
T
[K]
1000
T
1
K 
 
6. Opracowanie wyników pomiarów:
a) Uzupełnić tabelę a następnie sporządzić wykres zależności T=f(p),
 1000 
 (*)
b) Sporządzić wykres zależności ln p  f 
 T 
(p- liczbowa wartość ciśnienia wyrażonego w paskalach, T- liczbowa wartość temperatury
wyrażonej w kelwinach)
c) metodą regresji liniowej wyznaczyć parametry a i b prostej:
C p   1000 

  
ln p   
  ln A  prosta typu :
 1000 R   T 




y
a
 x
 b
oraz niepewności tych parametrów u(a) oraz u(b)
d) Obliczyć molowe ciepło parowania Cp oraz niepewność jego wyznaczenia:
C p  1000  R  a
 C p
u (C p )  
 a
2
C

  u 2 (a)  p  u (a)
|a|

e) Porównać uzyskaną wartość Cp z danymi tablicowymi dla pary wodnej.
-----------------------------------------------(*) przybliżona zależność ciśnienia pary nasyconej od temperatury dana jest
wzorem Clausiusa-Clapeyrona
Cp
p

,
T T  V
którego
uproszczonym
rozwiązaniem jest: (patrz: Lit. 2, str. 316)
p  Ae

Cp
R T
gdzie: Cp- molowe ciepło parowania
R- stała gazowa; R  8,31
J
K  mol
A- pewna stała
 1000 

Wykładnicza postać tego wzoru sugeruje, że wykres ln p  f 
 T 
powinien być linia prostą
(**) przeliczenia ciśnienia wyrażonego w [mm Hg] na paskale można dokonać
101325 Pa
według wzoru p[ Pa]  p[mmHg ] 
760mm