POMIAR ENTALPII PAROWANIA WYSOKO WRZĄCEJ CIECZY

Entalpia parowania cieczy
to ciepło, jakie trzeba dostarczyć do układu w celu odparowania mola cząsteczek w warunkach stałego ciśnienia i stałej temperatury. Parowanie cieczy jest procesem endotermicznym, gdyż do wywołania go konieczne jest dostarczenie ciepła. Polega ono na wyrwaniu się cząsteczek z więzów oddziaływań przyciągających zachodzących między cząsteczką a jej sąsiadami. Energia doprowadzana do układu jest przeznaczona przede wszystkim właśnie na przezwyciężenie sił przyciągania między cząsteczkami. Ponieważ proces parowania przeprowadza się głównie pod stałym ciśnieniem, konieczna jest dodatkowa ilość energii w celu wykonania pracy związanej ze zmianą objętości o ΔV pod ciśnieniem P.

Wartość entalpii parowania nie zależy od drogi, po której układ doszedł do danego stanu, ale od rodzaju cieczy i od jej temperatury, a więc entalpia jest funkcją stanu. Ma ona silny związek z temperaturą; gdy temperatura układu rośnie, zwiększa się również entalpia.

Ćwiczenie polega na pomiarze energii elektrycznej potrzebnej do odparowania n moli cieczy w kontrolowanych warunkach.

W tym celu wykorzystuje się równanie:

gdzie: Δ_parH [J/mol] jest szukaną wartością, natomiast
[J/s] jest stałą określającą straty ciepła w aparaturze. Ponadto w powyższym równaniu przyjęto oznaczenia:
oraz
, gdzie
jest energią elektryczną dostarczaną do grzejnika w ciągu 1 s, n - liczbą moli odparowanej cieczy, t - czasem [s] potrzebnym do odparowania n moli cieczy. Energię Q można obliczyć z równania:

w którym U jest napięciem, a I - natężeniem prądu elektrycznego.

II Część doświadczalna

1. Aparatura i odczynniki:

- Naczynie Dewara z pokrywką.

- Grzałka elektryczna.

- Chłodnica.

- Autotransformator.

- Amperomierz.

- Woltomierz.

- Naczynie z lodem.

- Suszarka elektryczna.

- Waga analityczna.

- Sekundomierz.

- Pięć kolbek stożkowych o poj. 50 ml.

- Woda

2. Warunki pomiarów:

- Ciśnienie ogólne, zewnętrzne: 1002 hPa

- Temperatura zewnętrzna: -12 ⁰C

- Temperatura w laboratorium: 25 ⁰C

3. Wykonanie ćwiczenia:

- Ważymy na wadze analitycznej pięć suchych kolbek stożkowych o poj. 50 ml.

- Włączamy chłodnicę

- Napełniamy dodatkowe naczynie chłodzące wodą z lodem.

- Włączamy aparaturę do sieci i za pomocą autotransformatora ustawiamy wartość napięcia

równą 50 V. Po osiągnięciu stanu równowagi układu w temperaturze wrzenia (powolne

kapanie kropel cieczy) kondensat zbieramy przez 600 s do pierwszej kolbki. Następnie

podwyższamy napięcie do 60 V i, po ponownym ustaleniu się równowagi układu,

zbieramy destylat przez 600 s do drugiej kolbki. Podobnie postępujemy przy napięciu 70,

80 i 90 V, przy czym każdorazowo odczytujemy wartość natężenia prądu. Po zakończeniu

serii pomiarów ważymy ponownie kolbki z cieczą na wadze analitycznej.

Wyniki pomiarów podane zostały na wydruku programu KURBATOW (tablice mas

kolbek oraz wartości natężenia i napięcia ).

III Opracowanie wyników

1. Sporządzenie wykresu zależności
( wykres nr 1) na podstawie wykonanych pomiarów

oraz z zależności
,

Tabela wyników obliczeń.

l.p.	[g]	[g]	U [ V]	I [A]	M [g/mol]	[J/s]	[mol/s]
1	43,7600	51,8850	50	1,000	18,00	50	7,5⋅10^-4
2	54,6500	69,4200	60	1,200			72	1,37⋅10^-3
3	36,9700	59,5450	70	1,400			98	2,09⋅10^-3
4	45,0750	77,6200	80	1,700			136	3,01⋅10^-3
5	56,8800	101,0850	90	1,900			171	4,09⋅10^-3

2. Aproksymacja wykresu zależności
do linii prostej (wykres nr 2). Odczyt entalpii

parowania wody i stałej określającej straty cieplne w aparaturze.

- Równanie prostej y= 22,324+36705,3067x

- Wykres
przedstawia prostą, której współczynnik kierunkowy

jest szukaną wartością Δ_parH ⁽²⁾.

Entalpia parowania wody odczytana z wykresu

- Stała „k” określająca straty ciepła w aparaturze odpowiada punktowi przecięcia

osi 0Y na wykresie
.

Straty ciepła w aparaturze odczytane z wykresu k = 22,324[J/s]

3. Wyniki obliczeń programu KURBATOW przedstawia wydruk tego programu.

IV Analiza wyników

1. Analiza wykresu zależności
(wykres nr 1 i 2)

Analizując wykres nr 1 stwierdza się, że doświadczenie wykonano poprawnie.

Niewielkie odchylenie ostatniego pomiaru spowodowane może być:

• błędem odczytu wskazań amperomierza

• niedokładnym pomiarze masy kolbki pustej i z wodą.

2. Analiza entalpii parowania wody:

- entalpia parowania obliczona przez program KURBATOW Δ_parH=36705,2984 [J/mol]

- entalpia parowania uzyskana na podstawie wykresu Δ_parH=36705,3067 [J/mol]

- różnica pomiędzy entalpią wyznaczoną z wykresu a obliczoną przez program wynosi 0,0083

Można przyjąć, że graficznie wyznaczona entalpia parowania wody jest równa wartości

obliczonej przez program.

- Porównanie wartości entalpii parowania wody otrzymanej w doświadczeniu z wartością

literaturową (w temperaturze wrzenia)⁽¹⁾ Δ_parH_lit= 40,67 [kJ/mol]

Różnica między wartościami 3,9 [kJ/mol]

V Wnioski

Wyniku przeprowadzonego doświadczenia wyznaczono entalpie parowania wody wynoszącą

Δ_parH=36705,2984 [J/mol], uzyskana wartość jest mniejsza od wartości literaturowej o 3,9[kJ/mol],

Na różnice tą wpływają błędy popełnione podczas doświadczenia, należy jednak zaznaczyć, że największy wpływ na uzyskaną wartość ma strata ciepła w aparaturze wynikająca z jego nieszczelności (k=22,324 J/s).

Analizując podany na wydruku programu KURBATOW maksymalny błąd aproksymacji (wynoszący 2,26%) można stwierdzić, że:

- doświadczenie przeprowadzono z dużą dokładnością (potwierdza to wykres zależności
)

- jest to dobra metoda wyznaczania entalpii parowania, wymagająca jedynie lepszej izolacji aparatury (zmniejszenia strat ciepła).

Jak wcześniej wspominano na uzyskaną wartość entalpii wpłynąć mogły błędy do których należy zaliczyć:

- niedokładny odczyt parametrów prądu na miernikach oraz dokładność przyrządów

- niedokładność związana z ważeniem pustych i z wodą kolbek

- niedokładny pomiar czasu napełniania jednej kolbki oraz możliwość kapania destylatu poza kolbkę

powodująca, że otrzymano mniejszą masę destylatu.

VI Literatura

1. - „Chemia fizyczna” , G.M. Barrow PWN W-wa 1978 (wartość entalpii parowania wody

odczytano z tablicy 19,1 str. 471

(2) - „Ćwiczenia z chemii fizyczne z programami do obliczeń na EMC” Z. S. Hippe, A. Kerste.

M. Mazur PWN W-wa 1987

Gdzie:
-masa pustej kolbki,
- masa kolbki z badaną cieczą , U- napięcie prądu

I- natężenie prądu, t- czas potrzebny do odparowania n moli cieczy

- energia elektryczna dostarczona do grzejnika w ciągu 1 s

M- masa molowa cieczy

---