Ćwiczenie 30

Badanie zależności temperatury wrzenia wody od ciśnienia:

Z kolby szklanej C, zawierającej pewną ilość wody, wypompowujemy powietrze za pomocą pompy próżniowej. Kolba jest połączona z tzw. zbiornikiem próżni B w celu zmniejszenia nadmiernych wahań ciśnienia przy wpuszczaniu powietrza do układu. Jeśli ciecz znajduje się w stanie wrzenia, nadmiar pary przechodzi przez chłodnicę A, ulega skropleniu i ścieka do kolby. Ciśnienie panujące w układzie naczyń B-C można obliczyć znając ciśnienie atmosferyczne (odczytujemy z barometru) oraz korzystając z manometru M. Jeżeli różnicę ciśnień, ciśnienia po nad powierzchnią cieczy i atmosferycznego
, oznaczymy
, to możemy napisać:
.

Miarą różnicy ciśnień ∆p jest różnica poziomów H = h1 - h2, gdzie h1 i h2 są poziomami cieczy w ramionach manometru. Jeśli gęstość cieczy manometrycznej oznaczamy przez ρ, to:

W manometrze stosowanym w zadaniu znajduje się rtęć, której gęstość w warunkach pokojowych wynosi: ρ = 13,6 ·10 ³ kg / m³. Porównując powyższe wyrażenia otrzymujemy wzór pozwalający obliczyć ciśnienie w kolbie:

po = pa - ρ · g · H

Jednostką ciśnienia w układzie SI jest Paskal
;
Pomiar temperatury w kolbie C umożliwia termometr D. Temperaturę w układzie SI wyrażamy w Kelwinach i oznaczamy symbolem T. Temperaturę w stopniach Celsjusza oznaczamy symbolem t, przy czym zachodzi związek T = t + 273,15.

Wykonanie ćwiczenia :

• Odkręcam zawór
  i reguluję przepływ wody przez chłodnicę
  .

• Ustawiam zawór
  w pozycji która umożliwia odpompowanie powietrza z układu.

• Uruchamiam pompę i odpompowuję powietrze aż do momentu kiedy rtęć w ramionach manometru się ustabilizuje na danym poziomie.

• Zamykam zawór
  i wyłączam pompę .

• Odczytuję poziomy rtęci
  i
  w ramionach manometru i obliczam ich różnicę
  - zapisuję do tabeli

• zapalam palnik gazowy i obserwuję wskazania termometru . Po pewnym czasie woda zaczyna wrzeć a poziom rtęci w termometrze ustala się na danej wartości . Jest to pierwszy pomiar wykonany dla najniższego ciśnienia , jakie mogłem osiągnąć. Uzyskaną temperaturę zapisuję do tabeli.

• Odkręcam zawór
  i wpuszczam do układu trochę powietrza i kiedy ciecz zacznie ponownie wrzeć zapisuję wskazania termometru. Poziom rtęci w nanometrze zmienia się . Wartość
  zmniejsza się , a
  zwiększa . Ponownie obliczam różnicę poziomów . Proces ten powtarzam aż do mementu kiedy poziomy w manometrze się wyrównają , przy czy przy każdym kolejnym pomiarze wpuszczam coraz więcej powietrza . Początkowo uzyskane różnice poziomów w małym stopniu odbiegały od początkowej wartości
  . Były to wielkości rzędu kilku milimetrów , jednakże z biegiem czasu ,kiedy ciśnienie w układzie zaczęło się zbliżać do atmosferycznego , różnice względem wartości
  zaczęły się znacznie zwiększać . Wynosiły kilka centymetrów. Wszystkie uzyskane wartości zapisuję do tabeli.

• Wyłączam palnik i zajmuję się dalszymi obliczeniami tego ćwiczenia

• Odczytuję wskazania barometru w sali ćwiczeń
  i korzystając ze wzoru
  obliczam wartości ciśnienia zewnętrznego dla każdej zmierzonej temperatury wrzenia.

• Przyjmując że
  obliczamy temperaturę wrzenia w Kelwinach
  .

• Sporządzam wykres zależności temperatury wrzenia
  od ciśnienia
  .

Obliczenia :

Korzystam tutaj ze wzoru
,gdzie :

jest to różnica poziomów rtęci dla określonych temperatur wrzenia

przyspieszenie ziemskie

gęstość rtęci w warunkach pokojowych ,podana w zadaniu

ciśnienie atmosferyczne w pracowni

przykładowe obliczenia :

1. Dla pomiaru pierwszego:
   

2. Dla pomiaru drugiego :
   

.

.

.

16. Dla pomiaru szesnastego :
    

Rachunek błędu:

Błąd względny
liczymy ze wzoru:

Przyjmuję , iż :

gdyż
jest to dokładność odczytu poziomu rtęci w ramionach manometru i wynosi ona

.

równa jest dokładności odczytu ciśnienia atmosferycznego

Podstawiam do wzoru :

szkicując wykres zależności temperatury wrzenia od ciśnienia , każdy z uzyskanych wyników należy opatrzeć w błąd

Wnioski:

Uzyskane tutaj wyniki mogę być traktowane jako przybliżone . Wynika to z niezbyt dokładnego odczytu z manometru i barometru jednakże sądzę ,iż nie są to wartości rażąco zmieniające dane końcowe.

Reasumując uzyskane wyniki dowodzą tego , iż przy wysokim ciśnieniu temperatura potrzebna do doprowa-

dzenia wody do wrzenia musi być większa, niż przy niższym ciśnieniu.

---