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.

WYKONANIE ĆWICZENIA

Ważymy na wadze analitycznej dokładnie pięć kolbek stożkowych. Następnie włączamy chłodnicę i napełniamy dodatkowe naczynie chłodzące wodą z lodem. Teraz 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.

Tabela wyników pomiaru.

Nr kolbki	Masa pustej kolbki [g]	Napięcie [V]	Natężenie prądu [A]	Masa kolbki z cieczą [g]
1 2 3 4 5	54,990 54,655 66,950 65,400 65,730	50 60 70 80 90	1,100 1,325 1,400 1,700 1,900	62,820 69,825 90,080 97,835 107,470

WNIOSKI

Wartość literaturowa ciepła parowania wody (w temperaturze wrzenia) wynosi
40,67 kJ/mol - [1], natomiast wyznaczona doświadczalnie 36,75 kJ/mol. Program komputerowy wykorzystał do obliczenia wartości entalpii parowania zależność:

Wykres
przedstawia prostą, której współczynnik kierunkowy jest szukaną wartością
. Do wykonania wykresu wykorzystano zależności:

oraz

gdzie:
- masa kolbki z badaną cieczą,

- masa pustej kolbki,

M - masa molowa badanej cieczy (H₂O, czyli 18 g/mol).

Dzięki wykorzystanej w programie komputerowym procedurze do aproksymacji otrzymanej funkcji, wartość ciepła parowania została obliczona z dużą dokładnością. Informuje nas o niej wartość maksymalnego względnego błędu aproksymacji - [2].

Nieszczelność naczynia Dewara i związane z nią straty ciepła zostały skompensowane przez stałą k. Wpływ na zaniżenie wartości entalpii miał:

• niedokładny odczyt parametrów prądu z mierników,

• straty wywołane parowaniem wody w temperaturze pokojowej przed pomiarem masy kolbki.

Z w/w przyczyn występują nieznaczne odchylenia punktów od linii prostej na wykresie zależności wartości energii elektrycznej od liczby moli cieczy.

[1] - „Chemia fizyczna”, G.M. Barrow; str.471, Tablica 19.1, PWN, W - wa 1978.

[2] - „Ćwiczenia z chemii fizycznej z programami do obliczeń na EMC”, Z.S. Hippe, A. Kerste, M. Mazur; str.229, PWN, W - wa 1987.

---