Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego
Wyznaczanie entalpii parowania wody na podstawie pomiaru temperaturowego
współczynnika pręŜności pary
ćwiczenie nr 33
o
p
r
a
c
o
w
a
ł
a
d
r
J
.
W
o
ź
n
i
c
k
a
Zakres zagadnień obowiązujących do ćwiczenia
1. Druga zasada termodynamiki.
2. Równanie Clausiusa
−
Clapeyrona. Wyprowadzenie i interpretacja.
3. Równowaga: ciecz
−
para.
4. Budowa, działanie i zastosowanie ebuliometru oraz termometru Beckmanna.
Literatura
1. Praca zbiorowa pod red. Woźnickiej J. i Piekarskiego H.,
Ć
w
i
c
z
e
n
i
a
l
a
b
o
r
a
t
o
r
y
j
n
e
z
c
h
e
m
i
i
f
i
z
y
c
z
n
e
j
, Wydawnictwo UŁ, Łódź 2005.
2. Sobczyk L., Kisza A., Gatner K., Koll A.,
E
k
s
p
e
r
y
m
e
n
t
a
l
n
a
c
h
e
m
i
a
f
i
z
y
c
z
n
a
, PWN,
Warszawa 1982.
3. Brdička R.,
P
o
d
s
t
a
w
y
c
h
e
m
i
i
f
i
z
y
c
z
n
e
j
, PWN, Warszawa 1970.
4. Praca zbiorowa pod red. Basińskiego A.,
C
h
e
m
i
a
f
i
z
y
c
z
n
a
,
PWN, Warszawa 1980.
5. Sobczyk L., Kisza A.,
C
h
e
m
i
a
f
i
z
y
c
z
n
a
d
l
a
p
r
z
y
r
o
d
n
i
k
ó
w
, PWN, Warszawa 1977.
6. Szarawara J.,
T
e
r
m
o
d
y
n
a
m
i
k
a
c
h
e
m
i
c
z
n
a
, WNT, Warszawa 1985.
7. Atkins P. W.,
C
h
e
m
i
a
f
i
z
y
c
z
n
a
, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001.
8. Buchowski H., Ufnalski W.,
G
a
z
y
,
c
i
e
c
z
e
,
p
ł
y
n
y
,
WNT, Warszawa 1994.
2
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie molowej entalpii i entropii parowania wody na
podstawie pomiaru temperaturowego współczynnika pręŜności pary.
Układ pomiarowy
W omawianym ćwiczeniu, pomiaru pręŜności pary nasyconej dokonuje się
metodą dynamiczno – recyrkulacyjną
.
W metodzie tej, po ustaleniu się określonego
ciśnienia pary nasyconej, mierzy się temperaturę, przy której współistnieją pod danym
ciśnieniem fazy ciekła i gazowa (Rys. 1).
Rys. 1. Układ do pomiaru temperaturowego współczynnika pręŜności pary
Aparatura do pomiaru temperaturowego współczynnika pręŜności pary składa się
z ebuliometru (1) zaopatrzonego w róŜnicowy termometr Beckmanna (2) i połączonego
ze zbiornikiem powietrza (3). Zbiornik powietrza zmniejsza wahania ciśnienia
pochodzące od nierównomiernego wrzenia cieczy w ebuliometrze w czasie pomiaru.
Cała aparatura jest szczelna i moŜe być w niej utrzymywane dowolne ciśnienie, którego
wartość w milimetrach słupa wody odczytuje się na manometrze (4). Nadciśnienie
(rozumiane jako ciśnienie wyŜsze od ciśnienia atmosferycznego) oraz podciśnienie
(ciśnienie niŜsze od atmosferycznego), uzyskuje się w układzie wdmuchując lub wycią-
3
gając powietrze ze zbiornika przy pomocy gruszki przez kran (5). Stan równowagi
termodynamicznej ciecz
−
para moŜna zrealizować w ebuliometrze Świętosławskiego
(1). Konieczność konstrukcji tego typu aparatów wynika stąd, Ŝe miernika temperatury
−
termometru Beckmanna (2), nie moŜna zanurzyć ani do wrzącej cieczy, ani umieścić
w fazie gazowej. Gniazdo termometryczne powinno być opłukiwane strumieniem cieczy
i pary, pozostających w stanie równowagi termodynamicznej. W ebuliometrze, szklany
pojemnik
a
owinięty jest drutem oporowym w celu doprowadzenia cieczy do wrzenia.
Tworząca się para i porywana przez nią wrząca ciecz są wyrzucane na ścianki gniazda
termometrycznego
b
wypełnionego rtęcią. Ciecz spływa z powrotem przez rurkę
c
do
zbiorniczka
a
.
Pewne ilości pary przedostają się do chłodnicy, gdzie ulegają skropleniu.
Skroplona ciecz spływa boczną rurką przez tzw. kroplomierz
d
, dający moŜliwość
obserwacji szybkości wrzenia cieczy. JeŜeli wrzenie cieczy odbywa się zbyt gwałtow-
nie, to wskazania termometru są zawyŜone. Zbyt słabe ogrzewanie cieczy prowadzi do
zaniŜonych wskazań temperatury. Intensywność grzania powinna być dostosowana do
typu ebuliometru oraz rodzaju cieczy. W przypadku ebuliometru uŜywanego w naszym
laboratorium, z kroplomierza powinno spływać około 10 kropel wody w ciągu minuty.
Jak wcześniej wspomniano, do pomiaru temperatury wrzenia stosuje się róŜnico-
wy termometr Beckmanna (Rys. 2), przeznaczony do dokładnych pomiarów niewielkich
zmian temperatury. Skala termometru obejmująca tylko 5 stopni
(deg) daje moŜliwość
odczytu temperatury z duŜą dokładnością:
±
0,01 stopnia, zaś przy uŜyciu lupy
±
0,002
stopnia. Punkt na skali, w którym zatrzymuje się rtęć w termometrze Beckmanna nie
wskazuje temperatury ani w stopniach Celcjusza ani Kelwina. Jest to punkt względny,
w odniesieniu, do którego moŜemy mierzyć jedynie zmiany temperatury układu.
W
y
z
n
a
c
z
o
n
e
p
r
z
y
u
Ŝ
y
c
i
u
t
e
r
m
o
m
e
t
r
u
B
e
c
k
m
a
n
n
a
r
ó
Ŝ
n
i
c
e
t
e
m
p
e
r
a
t
u
r
y
w
s
t
o
p
n
i
a
c
h
(
d
e
g
)
s
ą
r
ó
w
n
e
w
a
r
t
o
ś
c
i
o
m
r
ó
Ŝ
n
i
c
t
e
m
p
e
r
a
t
u
r
y
w
y
r
a
Ŝ
o
n
y
m
w
o
C
l
u
b
w
K
.
Termometru Beck-
manna moŜna uŜywać do badań w róŜnym zakresie temperatury dzięki temu, Ŝe jest on
zaopatrzony w dwa zbiorniki rtęci: górny i dolny, połączone wyskalowaną rurką
kapilarną. W zaleŜności od interesującego nas zakresu pewną ilość rtęci moŜna
przelewać ze zbiorniczka górnego do dolnego lub odwrotnie. Czynność tę nazywa się
nastawianiem termometru.
4
Odczynniki chemiczne i sprzęt laboratoryjny:
woda podwójnie destylowana,
lupa, gruszka gumowa.
Wykonanie ćwiczenia i przedstawienie wyników pomiarów
N
a
p
i
ę
c
i
e
n
a
a
u
t
o
t
r
a
n
s
f
o
r
m
a
t
o
r
z
e
u
s
t
a
l
a
p
r
o
w
a
d
z
ą
c
y
z
a
j
ę
c
i
a
.
N
i
e
n
a
l
e
Ŝ
y
o
p
r
ó
Ŝ
n
i
a
ć
e
b
u
l
i
o
m
e
t
r
u
.
W
o
d
a
p
o
d
w
ó
j
n
i
e
d
e
s
t
y
l
o
w
a
n
a
,
k
t
ó
r
ą
j
e
s
t
n
a
p
e
ł
n
i
o
n
y
e
b
u
l
i
o
m
e
t
r
n
i
e
m
u
s
i
b
y
ć
w
y
m
i
e
n
i
a
n
a
p
r
z
e
d
w
y
k
o
n
a
n
i
e
m
k
a
Ŝ
d
e
g
o
d
o
ś
w
i
a
d
c
z
e
n
i
a
.
E
b
u
l
i
o
m
e
t
r
ł
a
t
w
o
u
l
e
g
a
u
s
z
k
o
d
z
e
n
i
u
,
a
j
e
g
o
n
a
p
r
a
w
a
j
e
s
t
t
r
u
d
n
a
i
k
o
s
z
t
o
w
n
a
.
1. Badaną ciecz
−
wodę doprowadzić w ebuliometrze do wrzenia pod ciśnieniem
atmosferycznym
b
.
Kran jest wówczas otwarty.
2. Po ustaleniu się procesu wrzenia, przy pomocy lupy na termometrze Beckmanna,
odczytać wartość temperatury wrzenia wody
τ
b
pod ciśnieniem
b
.
W rzeczywistości,
jest to punkt wrzenia odczytany w stopniach (deg), któremu w dalszej części
opracowania ćwiczenia przypisze się wartość temperatury w skali bezwzględnej
T
b
.
3. Na barometrze umieszczonym w laboratorium odczytać ciśnienie atmosferyczne
b
[Pa] odpowiadające temperaturze
τ
b
.
4. Poprzez wdmuchiwanie lub wyciąganie powietrza przy pomocy gruszki gumowej,
zmieniać co 10 mm wartość ciśnienia panującego w układzie i po ustaleniu się stanu
równowagi, dokonać odczytu wysokości słupa wody
h
'
z dokładnością
±
0,5 mm
H
2
O oraz odpowiadającej mu temperatury
τ
(punktu wrzenia). Wartość
h
'
określona
jest róŜnicą poziomów cieczy manometrycznej (wody). Dokonać co najmniej 10
pomiarów
h
'
oraz
τ
dla nadciśnienia i podciśnienia.
Opracowanie i dyskusja wyników pomiarów
1. Wartości
h
'
odczytane na manometrze w mm H
2
O, przeliczyć na mm Hg,
a następnie na Pa pamiętając, Ŝe:
ρ
H2O H2O
h
=
ρ
Hg
Hg
h
;
h
H2O
,
h
Hg
−
wysokości słupa wody i rtęci, gęstości obu cieczy:
ρ
H2O
= 1
⋅
10
3
kg m
-3
;
ρ
Hg
= 13,6
⋅
10
3
kg m
-3
, 760 mm Hg = 1 atm = 1,013
⋅
10
5
Pa.
2. Obliczone wartości
p
'
[Pa]
d
l
a
n
a
d
c
i
ś
n
i
e
n
i
a
d
o
d
a
j
e
s
i
ę
do ciśnienia barometrycz-
nego
b
i uzyskuje się
p
=
b
+
p
'
.
D
l
a
p
o
d
c
i
ś
n
i
e
n
i
a
o
d
e
j
m
u
j
e
s
i
ę
p
'
od
b
:
p
=
b
–
p
'
.
5
Otrzymuje się w ten sposób wartości pręŜności pary
p
w funkcji temperatury
τ
w odniesieniu do wszystkich punktów eksperymentalnych.
3. Na papierze milimetrowym sporządzić wykres zaleŜności
p
=
f
(
τ
) wg rysunku 2.
Proponuje się przyjąć skale: 1 cm
→
0,05 deg; 4 cm
→
1000
Pa.
Rys. 2. Doświadczalnie uzyskana zaleŜność pręŜności pary od temperatury
4. Z uwagi na to, Ŝe do obliczenia
∆
H
p
a
r
z równania Clausiusa
−
Clapeyrona niezbędna
jest wartość temperatury wrzenia wody
T
b
w warunkach ciśnienia barometrycznego
b
, naleŜy kaŜdej wartości
τ
przyporządkować bezwzględną wartość temperatury
T
w skali Kelwina. W tym celu naleŜy:
– na dodatkowo wykreślonej osi
T
, równoległej do osi
τ
(Rys. 2), zaznaczyć
temperaturę wrzenia wody
T
n
t
w
= 373,15 K odpowiadającą ciśnieniu normalnemu
1,013
⋅
10
5
Pa (punkt A na rysunku).
– znając połoŜenie punktu A, opisać oś temperatury
T
zachowując tę samą skalę co
w przypadku
τ
, czyli: 1 cm
→
0,05 K. Wartości
T
(odczytane z dokładnością
±
0,05 K) i odpowiadające poszczególnym punktom
τ
,
zamieścić w tabeli wyników.
5. Posługując się wykresem
p
=
f
(
T
) odczytać temperaturę wrzenia wody
T
b
(punkt B
na rysunku 2), odpowiadającą ciśnieniu atmosferycznemu
b
w danych warunkach
eksperymentalnych. Uzyskaną wartość
T
b
naleŜy podstawić do równania Clausiusa
−
Clapeyrona w dalszej części opracowywania wyników doświadczenia.
6. Korzystając z wykresu
p
=
f
(
T
), obliczyć metodą graficzną wartość temperaturo-
wego współczynnika pręŜności pary
d
d
g
r
a
f
p
T
. W badanym zakresie ciśnienia oraz
6
temperatury:
d
d
p
T
=
∆
∆τ
p
=
∆
∆
p
T
=
tg
α
.
.
Współczynnik ten naleŜy obliczyć równieŜ
metodą najmniejszych kwadratów
d
d
p
T
n
u
m
.
Do obliczeń naleŜy stosować tę
ostatnią wartość.
7. Wiedząc, Ŝe molowe objętości wody w stanie pary
β
i cieczy
α
wynoszą:
V
m
β
= 30, 062
⋅
10
-3
m
3
mol
-1
;
V
m
α
= 0, 019
⋅
10
-3
m
3
mol
-1
obliczyć zmianę objętości molowej wody w procesie parowania
∆
V
m
=
V
m
β
−
V
m
α
.
8. Obliczyć molową entalpię parowania
∆
H
p
a
r
z równania Clausiusa
−
Clapeyrona:
∆
H
p
a
r
=
d
d
p
T
T
b
∆
V
m
9. Obliczyć molową entropię parowania wody w warunkach doświadczenia:
∆
S
p
a
r
=
p
a
r
b
H
T
∆
i porównać z wartością
∆
S
p
a
r
wynikającą z reguły Troutona.
10. Przeprowadzić dyskusję uzyskanych wyników doświadczalnych. Do sprawozdania
dołączyć czytelny wykres wykonany na papierze milimetrowym.
Tabele wyników pomiarów i obliczeń
N
a
d
c
i
ś
n
i
e
n
i
e
nr pomiaru
h
'
[mm H
2
O]
P
'
[Pa]
p
=
b
+
p
'
[Pa]
τ
[deg]
T
[K]
1.
.
10.
P
o
d
c
i
ś
n
i
e
n
i
e
nr pomiaru
h
'
[mm H
2
O]
P
'
[Pa]
p
=
b
−
p
'
[Pa]
τ
[deg]
T
[K]
1.
.
10.
b
[Pa]
τ
b
[deg]
T
b
[K]
∆
V
m
[m
3
mol
-1
]
d
d
p
T
g
r
a
f
[Pa K
-1
]
d
d
p
T
n
u
m
[Pa K
-1
]
∆
H
p
a
r
[J mol
-1
]
∆
S
p
a
r
[J mol
-1
K
-1
]