textarchive.ru

Главная > Задача


Цель работы: изучение диффузии как одного из явлений переноса.

Задача: определение коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара по скорости испарения жидкости из капилляра.

Приборы и принадлежности: экспериментальная установка ФПТ1-4: микроскоп, рабочий элемент, цифровой контроллер для измерения температуры, приборный блок.

ВВЕДЕНИЕ

Диффузия – это явление самопроизвольного взаимного проникновения и перемешивания частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел. В химически чистых газах диффузия возникает вследствие неодинаковой плотности в различных частях объема газа. В случае смеси газов причиной диффузии является различие в концентрации отдельных газов в разных частях объема смеси. Если это явление не осложнено изменением температуры по объему газа, то оно заключается в переносе массы газа из мест с большей концентрацией данного газа в места с меньшей концентрацией.

Масса компонента газа, которая переносится вследствие диффузии через поверхность площадью S, перпендикулярную к оси ОХ, за время , определяется законом Фика:

, (1)

где D – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом диффузии; – градиент плотности компонента газа.

Таким образом, коэффициент диффузии численно равен массе вещества, которое диффундирует за единицу времени через плоскую поверхность единичной площади, проведенную в газе перпендикулярно к направлению переноса вещества при единичном градиенте плотности. Знак минус в формуле (1) показывает, что перенос массы при диффузии осуществляется в направлении убывания плотности.

Для коэффициента диффузии имеется следующее выражение:

. (2)

Здесь – средняя длина свободного пробега; – средняя скорость теплового движения молекул, = 8RT/.

В случае когда один и тот же объем занимают два газа и более, полное давление равно сумме парциальных давлений отдельных газов. Парциальное давление газа определяется как давление этого газа, если бы он один занимал весь объем. Этот экспериментальный закон был получен Дальтоном и называется законом Дальтона для парциальных давлений. Согласно этому закону каждый газ в смеси создает парциальное давление, пропорциональное его молекулярной концентрации. Это положение согласуется с законом идеального газа, из которого следует, что полное давление равно

, (3)

где N – общее число молекул, N = N1 + N2 + … +Ni; k – постоянная Больцмана; V – объем; Т – термодинамическая температура.

При этом имеем

, (4)

где Р1, Р2, …, Рi – парциальные давления каждого газа в смеси, а отношения – их концентрации.

Процесс испарения можно объяснить в рамках кинетической теории. Молекулы жидкости движутся с различными скоростями. Между этими молекулами имеются значительные силы притяжения, которые и удерживают их вместе в жидком состоянии. Только те молекулы, кинетическая энергия которых больше некоторого определенного значения, могут перейти в газообразное состояние. При более высоких температурах скорость испарения больше.

Поскольку самые быстрые молекулы улетают с поверхности жидкости, средняя скорость оставшихся молекул уменьшается, а значит, абсолютная температура понижается. Таким образом, испарение представляет собой процесс охлаждения.

Воздух обычно содержит водяные пары (воду в газообразном состоянии), причем они попадают в воздух главным образом за счет испарения. Поскольку испарившиеся молекулы движутся вблизи поверхности жидкости, некоторые из них будут сталкиваться с ней и возвращаться в жидкое состояние; этот процесс называется конденсацией. Число молекул пара возрастает до тех пор, пока не будут достигнуты такие условия, когда число возвращающихся в жидкость молекул равно числу молекул, покидающих жидкость за тот же промежуток времени. При этом мы имеем состояние равновесия и про пространство над жидкостью говорят, что оно насыщено. Давление пара, если он насыщен, называется давлением насыщенного пара. Оно в значительной степени зависит от температуры и в точке кипения равно атмосферному. Относительная влажность воздуха в данном месте равна отношению парциального давления водяного пара в воздухе к давлению насыщенного пара при этой температуре; ее обычно выражают в процентах.

ОПИСАНИЕ ПРИБОРОВ

Для определения коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара предназначена экспериментальная установка ФПТ1-4, общий вид которой изображен на рис. 1.

Основным элементом установки является микроскоп 4, на предметном столике которого размещены рабочий элемент 5, состоящий из измерителя, к подвижной части которого прикреплен корпус из оргстекла. В отверстии корпуса находится стеклянная трубка (капилляр) с дистиллированной водой.

Для подсветки трубки при измерениях применяется фонарь 2, свет от которого передается рабочему элементу по световоду с оргстекла.


Яркость свечения лампы устанавливается регулятором «Подсветка капилляра», который находится на передней панели блока приборов 1, установленном на стойке 3.

Время испарения воды с капилляра измеряется секундомером, расположенным в блоке приборов, и регистрируется на цифровом индикаторе «Время». Секундомер приводится в действие при включении питания блока приборов. Сброс на нуль значений на индикаторе производится нажатием кнопки «MODE», после отпускания которой снова начинается отсчет времени.

Температура воздуха в блоке рабочего элемента измеряется полупроводниковым термометром и регистрируется на цифровом индикаторе «Температура» блока рабочего устройства 6.

Цена деления указана на шкале микроскопа.

ОПИСАНИЕ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Наиболее распространенным методом определения коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара является метод, основанный на измерении скорости испарения жидкости, частично заполняющей узкую трубку постоянного сечения S, в атмосферный воздух (рис. 2). На границе с водой (х = 0) парциальное давление водяного пара Рп в трубке равняется давлению насыщенного пара Pн при температуре опыта. Давление водяного пара в трубке изменяется вдоль оси X от значения Pн до давления Р1 около открытого конца трубки (х = h), которое определяется влажностью воздуха в лаборатории, следовательно, вдоль оси трубки существует градиент парциального давления dРп/dx, вследствие чего в ней возникает диффузионный поток М пара, направленный вверх. Плотность пара п можно выразить через его парциальное давление, используя уравнение состояния идеального газа:

. (5)

Подставляя полученное соотношение (5) в формулу закона Фика (1), определим массу пара, которая переносится через площадь поперечного сечения трубки за одну секунду:

. (6)

Пренебрегая массой пара, которая переносится конвекционным потоком, который возникает в трубке, массу пара Мп можно выразить через скорость понижения уровня жидкости в капилляре:

, (7)

где ж – плотность жидкости; h – понижение уровня жидкости за время  .

Подставляя полученное выражение (7) в формулу (6), получим

.

Разделяя переменные и интегрируя это равенство, получим

или

,

откуда

, (8)

где D – коэффициент взаимной диффузии; ж – плотность жидкости (воды); R – универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(мольК); h - расстояние от поверхности воды до верхнего края трубки; Т – температура воды в капилляре и воздуха в лаборатории; h – понижение уровня жидкости за время ; п – молярная масса воды; Рн – давление насыщенного пара; Р1 – давление пара, которое определяется влажностью воздуха в лаборатории.

Формулу (8) можно использовать для экспериментального определения коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара, пренебрегая конвекционным потоком пара, который возникает в трубке.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1. Подать на установку питание, включив тумблер «Сеть».

  2. Провести пробные включения цифрового секундомера. Для этого осторожным нажатием первой клавиши «MODE» (либо последовательными несколькими нажатиями этой клавиши) перевести секундомер в режим работы, при котором наблюдается мигание надписей «SUN», «FRI», «SAT» в верхней части табло секундомера. После этого все цифровые индикаторы должны высвечивать цифру нуль. Нажатием третьей клавиши «DATE /UP» запустить секундомер и, спустя малое время, нажатием той же клавиши остановить его. Нажав вторую клавишу «AL-T /SET», занулить табло секундомера.

  3. Заполнить таблицу «Основные метрологические характеристики приборов» (цифрового секундомера, цифрового датчика температуры, микроскопа). Диапазон измерений секундомера 0–29 мин 59,99 с, температуры – 0–100 0С.

  4. Повернуть тубус микроскопа «на себя» и установить его в положение, удобное для работы.

  5. Отрегулировать подсветку капилляра соответствующим потенциометром.

  6. При помощи регулировочного винта добиться четкого изображения края трубки – капилляра. Установить край трубки на нулевое деление шкалы микроскопа.

  7. Вращая гайку перемещения узла капилляра, найти положение мениска воды. Сфокусировать микроскоп на мениске.

  8. Определить расстояние h от края трубки до мениска воды по шкале микроскопа и занести это значение в табл. 1.

Таблица 1

Результаты измерений

Номер измер.

h,

м

n,

дел.

,

с

n/,

дел./с

h/,

м/с

P0,

Па

Т,

К

Рн,

Па

Р1,

Па

D,

м/с2

1

2

3

4

5

  1. Наблюдать изменение уровня воды в трубке по изменению положения мениска относительно шкалы микроскопа. Используя цифровой контроллер для измерения времени, измерить скорость испарения воды, т. е. через каждые 5 делений шкалы окуляра занести в табл. 1 значения n и время  испарения воды.

  2. Сделать 5 измерений положения мениска. При выходе изображения мениска из поля зрения необходимо вращением гайки измерителя вернуть изображение в начальное положение.

  3. Измерить температуру воздуха в рабочем элементе.

  4. Установить регулятор подсветки капилляра в положение минимальной яркости, после чего выключить установку тумблером «Сеть».

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

  1. По данным табл. 1 построить график n = f(), откладывая по оси ординат число делений n окулярной шкалы микроскопа, а по оси абсцисс – время . По нанесенным опытным точкам провести усредненную прямую и по ее наклону определить среднее значение n/. Умножая эту величину на цену деления окулярной шкалы, найти среднее значение скорости испарения жидкости с капилляра h/.

  2. Используя найденное значение n/, по формуле (8) вычислить коэффициент взаимной диффузии воздуха и водяного пара, учитывая, что плотность воды ж = 103 кг/м3, молярная масса воды  = 18  10-3 кг/моль. Давление насыщенного водяного пара определить из табл. 2, где приведена зависимость давления Рн и плотность  насыщенного водяного пара от температуры, а давление водяного пара Р1 возле открытого конца трубки найти по значению относительной влажности  (в процентах) в помещении лаборатории:

.

Относительную влажность  определяем по показаниям психрометра и соответствующей табл. 3.

Таблица 2

Зависимость давления Рн и плотности насыщенного водяного пара

от температуры

t, 0С

Рн, кПа

  10-3, кг/м3

t, 0С

Рн, кПа

  10-3, кг/м3

15

1,704

12,84

21

2,486

18,35

16

1,817

13,65

22

2,642

19,44

17

1,937

14,50

23

2,809

20,60

18

2,062

15,39

24

2,984

21,81

19

2,196

16,32

25

3,168

23,07

20

2,337

17,32

26

3,361

24,40

Таблица 3

Психрометрическая таблица относительной влажности воздуха

Показания сухого термометра, 0С

Разность показаний сухого и влажного термометров, 0С

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

12

100

89

78

68

57

48

38

29

20

11

-

14

100

90

79

70

60

51

42

33

25

17

9

16

100

90

81

71

62

54

45

37

30

22

15

18

100

91

82

73

64

56

48

41

34

26

20

20

100

91

83

74

66

59

51

44

37

30

24

22

100

92

83

76

68

61

54

47

40

34

28

24

100

92

84

77

69

62

56

49

43

37

31

26

100

92

85

78

71

64

58

50

45

40

34

28

100

93

85

78

72

65

59

53

48

42

37

30

100

93

86

79

73

67

61

55

50

44

39

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1. В чем заключается явление диффузии? Какая физическая величина переносится при диффузии?

  2. Напишите формулу закона Фика и объясните физический смысл коэффициента диффузии.

  3. Какое явление называется испарением жидкости? Как влияет состояние динамического равновесия жидкости и ее пара на процесс испарения жидкости?

  4. Какой пар называется насыщенным и что такое плотность насыщенного пара?

  5. Что такое парциальное давление? Как можно определить давление смеси газов?

  6. Что такое относительная влажность? Как можно измерить эту величину?

  7. В чем заключается метод определения коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара по скорости испарения жидкости из капилляра?

  8. Объясните, почему скорость диффузии много меньше тепловой скорости молекул.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1. Трофимова Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. – М. : Высшая школа, 1998. – 542 с.

  2. Джанколи Д. Физика : в 2 т. / пер. с англ. – М. : Мир, 1989. – Т. 1. – 656 с.

  3. Кошкин М. И. Справочник по элементарной физике / М. И. Кошкин, М. Г. Ширкевич.– М. : Наука, 1988. – 256 с.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Цель работы – экспериментальное исследование электрических и механических свойств монтажных соединений

    Лабораторная работа
    ... явления ... диффузии. Диффузионный перенос ... одногоиз устройств системы (по выбору). 5. Какие практические навыки вы приобрели в результате выполнения работы ... работа № 10 ИЗУЧЕНИЕ ЦИКЛОВЫХ СИСТЕМ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕННЯ РОБОТАМИ Цельработыизучение ...
  2. Цель работы – экспериментальное исследование электрических и механических свойств монтажных соединений

    Исследование
    ... явления ... диффузии. Диффузионный перенос ... одногоиз устройств системы (по выбору). 5. Какие практические навыки вы приобрели в результате выполнения работы ... работа № 10 ИЗУЧЕНИЕ ЦИКЛОВЫХ СИСТЕМ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕННЯ РОБОТАМИ Цельработыизучение ...
  3. Из цикла «философские беседы» (категориальная к а р т и н а м и р а) москва  2006

    Книга
    ... работают» ... однаиз наименее изученных категорий. Вплоть до Гегеля она рассматривалась лишь как ... диффузия ... явлением. 3емлетрясение ­явление, но в качестве причины оно порождает целый ряд других явлений ... переносу в структуру мира структуры предложения. Одноиз ...
  4. Московская городская педагогическая гимназия-лаборатория №1505 Курсы по выбору – одна из форм организации учебно-познавательной и учебно-исследовательской деятельности гимназистов Под ред

    Автореферат диссертации
    ... Цель таких сведений – создать представление о кинематографе как, с одной ... работы с системами знаков, перехода изодной системы в другую; - восполнить пробелы в изучении ... Явления. Наблюдения явлений. ... Использование параллельного переноса и симметрии для ...
  5. Из цикла «философские беседы» л е балашов м и р глазами

    Книга
    ... работают» ... однаиз наименее изученных категорий. Вплоть до Гегеля она рассматривалась лишь как ... диффузия ... явлением. 3емлетрясение ­явление, но в качестве причины оно порождает целый ряд других явлений ... переносу в структуру мира структуры предложения. Одноиз ...

Другие похожие документы..