Лабораторна робота № 215. ДОСЛІДЖЕННЯ КРИТИЧНОГО СТАНУ РЕЧОВИНИ

Завдання: визначити критичну температуру ефіру.

Приладдя: установка для дослідження критичного стану речовини ампула з ефіром.

Теоретичний матеріал, який необхідно засвоїти під час підготовки до виконання роботи: ідеальний і реальний гази; рівняння Ван-дер-Ваальса; ізотерми ідеального та реального газів, метастабільні стани; критичний стан речовини, критичні параметри та їхнє виведення з рівняння стану; зрідження газів; фазові переходи.

Література:

1) § 17.1–17.3, с. 326–336; § 17.5, c. 341–344;

2) § 17.2–17.5, c. 56–62;

3) § 64–66, с. 203–210.

4) § 60–65, с. 103–111.

Опис установки. Установка для дослідження критичного стану речовини (рис. 17) складається з електричного нагрівника 1, призначеного для нагрі-вання ампули з ефіром 4, який живиться напругою 220 В через вимикач 6. Ам-пула розміщена безпосередньо над нагрівником і перебуває в контакті зі спаєм термопари 3. Термопара 3 разом із потенціометром 5 утворюють елек-тричний термометр, який вимірює температуру ампули 4. Під час повільного нагрівання температура ампули з достатньою точністю відповідає температурі ефіру. Ампула з ефіром, нагрівник і термопара розміщені в захисному корпусі 2.

Ідея роботи та виведення робочої формули. Теоретичною основою дослідження критичного стану речовини є рівняння стану реального газу – рівняння Ван-дер-Ваальса. Для одного моля (кіломоля) реального газу це рівняння записують так:

, (1)

де P, V i Т – відповідно, тиск, об’єм і температура одного моля газу; а і b – поправки Ван-дер-Ваальса на внутрішній тиск і власний об’єм усіх молекул газу; R – універсальна газова стала.

Для різних газів поправки а і b різні за значенням. На рис. 18 показані ізотерми реального газу для різних значень температур. Суцільні криві відповідають експериментальним, а криві з штрих-пунктирними ділянками ВВ¹СС¹ – теоретичним ізотермам. З графіків видно, що з підвищенням температури горизонтальна ділянка ізотерми ВС, яка відповідає двофазовому стану речовини (рідина + насичена пара), зменшується, стягуючись за критичної температури Т_K в точку, і дві фази речовини стають нерозрізнюваними. Цій точці відповідають параметри Т_K, P_K, V_K, які визначають критичний стан речовини. Критичні параметри речовини Т_K, P_K, V_K можна визначити, розв’язавши рівняння (1):

. (2)

Критична температура – це температура, за якої зникає різниця між рідиною та її насиченою парою. При Т_Kпитома теплота пароутворення і коефіцієнт поверхневого натягу рідини a дорівнюють нулю. При Т>Т_K речовина може існувати лише в стані газу, який неможливо перевести в рідину шляхом ізотермічного стиску. При Т<Т_K речовина може існувати у стані як рідини, так і насиченої пари.

Критичний тиск – це максимально можливий тиск насиченої пари заданої речовини, а критичний об’єм – максимальне значення об’єму, який може займати речовина в рідкому стані.

У нашому випадку досліджувана речовина перебуває в замкнутому об’ємі (ефір у запаяній скляній ампулі). Над поверхнею ефіру є насичена пара. З підвищенням температури інтенсивність випаровування ефіру збіль-шується, отже, густина пари r_н також збільшується, а густина рідини r_р – зменшується (рис. 19). Коли температура досягає критичної, то r_н=r_р. Поряд з цим, як зазначено вище, за такої температури a=0, тоді межа поділу між рідиною та її насиченою парою зникне.

Отже, експериментально Т_K можна визначити шляхом візуального спостереження за зникненням (появою) меніска в запаяній скляній ампулі під час її нагрівання (охолодження). Цей метод, уперше запропонований київським фізиком М. Авенаріусом, застосований у нашій роботі.

Якщо в експерименті виміряти t₁°C (температуру, при якій зникає меніск в ампулі) і t₂°C– (температуру, за якої меніск з’являється, якщо ампулу охолоджувати), то Т_K можна визначити так:

. (3)

Вираз (3) є робочою формулою лабораторної роботи.