25. Folyadék gőznyomásának meghatározása a hőmérséklet függvényében. Előkészítő előadás

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "25. Folyadék gőznyomásának meghatározása a hőmérséklet függvényében. Előkészítő előadás"

Adrián Dobos
5 évvel ezelőtt
Látták:

1 25. Folyadék gőznyomásának meghatározása a hőmérséklet függvényében Előkészítő előadás

2 Elméleti áttekintés Gőznyomás: adott hőmérsékleten egy anyag folyadékfázisával egyensúlyt tartó gőzének parciális nyomása. A gőznyomás egy egykomponensű, zárt rendszerben a folyadék-gőz fázisegyensúly kialakulásakor mérhető nyomás. A gőznyomás erősen függ a hőmérséklettől. Ezt a hőmérsékletfüggést a Clapeyron-egyenlet írja le.

3 Elméleti áttekintés A Clapeyron-egyenlet folyadék-gőz egyensúly esetén: dp g dt T ahol p g a gőznyomás,t a hőmérséklet, pár S a moláris párolgási entrópiaváltozás, pár V a moláris párolgási térfogatváltozás, pár H a moláris párolgási entalpiaváltozás = A Clapeyron-egyenlet nem tartalmaz közelítéseket. pár pár S V = pár pár H V

4 Elméleti áttekintés Folyadék-gőz egyensúly esetén élhetünk a következő két közelítéssel: 1. A folyadék moláris térfogata elhanyagolható a gőz moláris térfogatához képest, ezért a moláris térfogatváltozás közelítőleg egyenlő a gőz moláris térfogatával: pár V =V g 2. A gőz ideális gázként viselkedik, így V g =RT/p g Ezeket alkalmazva: dp g dt és átrendezve kapjuk a Clausius-Clapeyron-egyenlet: d ln dt p g = = p g RT pár RT pár 2 H 2 H

5 Elméleti áttekintés A Clausius-Clapeyron-egyenlet segítségével a moláris párolgási entalpiaváltozás meghatározható. Az egyenlet integrált alakja (feltételezve, hogy a moláris párolgási entalpiaváltozás nem függ a hőmérséklettől): ln párh 1 p g = + R T A Azaz a gőznyomás természetes alapú logaritmusát a hőmérséklet reciprokának függvényében ábrázolva egy egyenest kapunk, amelynek meredeksége (b): b = pár R H

6 A mérési feladat Dietil-éter gőznyomásának mérése sztatikus módszerrel 5 hőmérsékleten. A kapott gőznyomás-hőmérséklet adatpárokból párolgáshő számítása a Clausius-Clapeyron-egyenlet alapján.

7 Gőznyomás mérése sztatikus módszerrel A gőznyomás egy egykomponensű, zárt rendszerben a folyadék-gőz fázisegyensúly kialakulásakor mérhető nyomás. egykomponensű: a vizsgált anyagon kívül minden anyagot el kell távolítani a rendszerből (a levegőt is!) zárt: mérés közben a rendszernek zártnak kell lennie. a folyadék-gőz egyensúly kialakulásakor: az egyensúly kialakulását meg kell várni! mérhető nyomás: a nyomást a zárt rendszerben kell mérni egy alkalmas eszközzel

8 Gőznyomás mérése sztatikus módszerrel Gőznyomás: egykomponensű, zárt rendszerben a folyadék-gőz fázisegyensúly kialakulásakor mérhető nyomás. sztatikus: a rendszer hőmérsékletét állítjuk be, ennek hatására alakul ki az egyensúlyi gőznyomás. A mérés hőmérséklete: a gőznyomás a rendszer leghidegebb pontjának megfelelő értékre áll be, így az általunk használt berendezéssel csak szobahőmérséklet alatt szabad mérni.

9 Biztonsági szabályok Amikor a rendszerben csökkentett nyomás uralkodik mindig viseljünk védőszemüveget! A dietil-éter gyúlékony és mérgező folyadék, bánjunk vele óvatosan! Használat után az étert gyűjtőbe öntsük! Az üvegeszközök könnyen eltörhetők.

10 A mérőberendezés digitális differenciál nyomásmérő csatlakozás vízlégszivattyúhoz gömblombik a vizsgált folyadékkal

11 Digitális differenciál nyomásmérő A gyakorlaton használt differenciális nyomásmérő a piezorezisztív effektuson alapul (bizonyos anyagok elektromos ellenállása mechanikai deformáció hatására megváltozik). Az érzékelőt kémiai úton alakítják ki egy szilícium lapocskán. Amikor a lap két oldalán eltér a nyomás az deformálódik, ami az érzékelők ellenállásának megváltozásához vezet. Egy ezzel arányos feszültségjel igen pontosan mérhető.

12 Digitális differenciál nyomásmérő Ha az érzékelő egyik oldalán légnyomás van, akkor az ettől való eltérést mutatja az eszköz. A gyakorlaton használt eszköz kpa-ban jelzi ki az értékeket. Negatív értékek esetén a belső nyomás kisebb a légnyomásnál. A belső nyomást a külső nyomás és a mért különbség összegeként kapjuk meg: p belső = p külső + p Ne felejtsük majd el, hogy a mi mérésünknél a különbség negatív érték lesz! A külső nyomást is meg kell mérni!

13 A mérés lépései 1. A berendezés összeállítása - Ellenőrizzük, hogy száraz-e a készülék belseje és a gömblombik. - A nyomásmérőnek nyitott állapotban nullát kell mutatnia. Ettől való eltérés esetén kérjük az oktató segítségét!

14 A mérés lépései 1. A berendezés összeállítása - Kenjük meg vákuumzsírral a gömblombik csiszolatát és illesszük fel a csatlakoztató csiszolatra, majd vegyük le.

15 A mérés lépései 1. A berendezés összeállítása - Egy tölcséren keresztül félig töltsük meg éterrel a gömblombikot és illesszük vissza a csatlakozásra, ahol rögzítsük gumigyűrűkkel.

16 A mérés lépései 2. A berendezés légtelenítése Helyezzünk a gomblombik alá szobahőmérsékletű vízzel töltött edényt.

17 A mérés lépései 2. A berendezés légtelenítése Vízlégszivattyúval egy pufferpalackon keresztül a rendszerből levegőt és étert távolítunk el. A levegő mennyisége csökken, az éter a folyadékból párolgással pótlódik.

kijelzőjén a rendszer összenyomása és a külső légnyomás közötti különbség

18 A mérés lépései 2. A berendezés légtelenítése A differenciális nyomásmérő digitális kijelzőjén a rendszer összenyomása és a külső légnyomás közötti különbség jelenik meg. A szívatást változatlanul hagyva a leválasztó csapot elzárjuk és megvárjuk, amíg a nyomás állandósul. Az értéket feljegyezzük.

19 A mérés lépései 2. A berendezés légtelenítése A leválasztó csap lassú kinyitásával/elzárásával újabb szívási ciklust hajtunk végre. Ha jól zár a rendszerünk, az előző értéknél kisebbet (nagyobb abszolút értékű negatív számot) figyelhetünk meg a kijelzőn. Azaz az össznyomás közelít a gőznyomáshoz, a komponensek száma pedig az egyhez.

20 A mérés lépései 3. Az egyensúly elérése Kellő számú légtelenítést végezve azt tapasztaljuk, hogy a nyomás értéke a rendszerben nem csökken tovább, elértük a folyadék-gőz egyensúlyi állapotot. A nyomás csak akkor állandósulhat, ha a hőmérséklet már állandó, amihez időre van szükség (csak a fürdőt keverjük, a dietil-étert nem; a hőmérsékletet nem a lombik belsejében mérjük) Ebből a nyomásértékből fogjuk az első, szobahőmérséklethez tartozó gőznyomást kiszámolni.

21 A mérés lépései 4. A gőznyomás hőmérsékletfüggésének mérése A berendezéssel csak szobahőmérséklet alatti hőmérsékleteken tudjuk a gőznyomást meghatározni (leghidegebb pont!) Az éter hőmérsékletét különböző rendszerekkel állítjuk be és mérjük a rendszer egyensúlyi nyomását. További leszívásokra nincs szükség, a vízlégszivattyút zárjuk el. A használt rendszerek: átfolyó csapvíz (5-15 C, amennyi a csapvíz) olvadó jég/víz renszer (0 C), 2 különböző NaCl-tartalmú jeges hűtőkeverék (-5 C illetve -10 C körüli értékek ajánlottak)

22 A mérés lépései 5. A légnyomás mérése Megmérjük a légnyomást egy C 300 típusú elektromos barométerrel. A C 300 típusú barométer működése is a piezorezisztív effektuson alapul. A benne lévő membrán egyik oldalán egy zárt (állandó nyomású) tér van, a másik oldala nyitott a légkör irányába. Leolvasási pontosság: 0,1 hpa (10 Pa, kb. 0,1 mmhg)

23 A hibalehetőségek a mérés során 1. A rendszer rosszul zár, a belső nyomása nem állandósul. A tömítetlenség lehetséges helyei: - a gömblombik csiszolatnál - a leválasztó csapnál - a barométer csatlakozási helyén Először próbáljuk meg a gömblombiknál lévő csiszolatot újrazsírozni (éter gyűjtőbe, a csapzsírt acetonnal kimossuk, majd újból csapzsírozunk). Ha ez nem segít kérjük az oktató segítségét!

24 A hibalehetőségek a mérés során 2. Ha túl sokszor/sokáig légtelenítünk, akkor elfogyhat a folyadékfázis. Levegőztessük be a rendszert, töltsünk újból az éterből és igyekezzünk hatékonyabban légteleníteni. 3. Víz került a rendszerbe a vízlégszivattyú helytelen működtetése okán. Levegőztessük be a rendszert, távolítsuk el a vizet és újra állítsuk össze a készüléket!

25 A mérési adatok értékelése 1. Az egyensúlyi értékek kiválasztása Az értékeléshez csak egyensúlyi hőmérséklet-nyomás értékpárokat használjunk. Ezek az egyes rendszerek használata során állandósult értékek. - Átlagolás (csak ingadozó értékek esetén szabad, monoton változás esetén nem) - Egy-egy értékpár kiválasztása (ha nem szabad átlagolni) Kérjük nyugodtan az oktató segítségét.

26 A mérési adatok értékelése 2. Korrigáljuk a hőmérséklet adatokat az olvadó jég rendszernél leolvasott érték figyelembevételével. Additív korrekciót használjunk. Ha például 0,5 C-ot mutatott a hőmérőnk az elméleti 0 C helyett, akkor minden hőmérsékletadatot 0,5 C-kal korrigálunk, mielőtt elkészítjük a táblázatokat és a grafikonokat.

27 A mérési adatok értékelése 3. Váltsuk át a barométer és a manométer által szolgáltatott nyomás értékeket Pa-ba. Számítsuk ki a gőznyomást: p belső = p külső + p Csak az egyensúlyi értékekkel dolgozzunk!

28 A mérési adatok értékelése 4. Ábrázoljuk az ln(p g / Pa) 1/(T / K) függvényt és illesszünk a pontokra egyenest a legkisebb négyzetek módszerével. Számoljuk ki ennek meredekségéből a moláris párolgási entalpiát. A gõznyomás logaritmusa a hõmérséklet reciproka függvényében 11,0 10,5 ln (p/pa) 10,0 9,5 9,0 Linear Regression for Data3digit_lnP.Pa: Y = A + B * X Parameter Value Error A B R SD N P < ,0034 0,0035 0,0036 0,0037 0,0038 0,0039 0,0040 T -1 /K -1

29 A mérési adatok értékelése 5. Ábrázoljuk a gőznyomást a hőmérséklet függvényében. A dietil-éter gőznyomásának hőmérsékletfüggése p / Pa T / C

30 Beadandók A légköri nyomás Táblázatosak az alábbi egyensúlyi értékek: T / C (2 tizedes jegyre), T / K (2 tizedes jegyre), T -1 / K -1 (5 értékes jegyre), p / Pa (5 értékes jegyre) lg(p / Pa) (5 értékes jegyre) ln(p / Pa) - T -1 / K -1 grafikon, az illesztett egyenes meredeksége (5 értékes jegyre) és a meredekség szórása (3 értékes jegyre) p / Pa T / C grafikon pár H értéke (kj/mol egységben) a hibahatárokkal

Hasonló dokumentumok

GŐZNYOMÁS MÉRÉSE SZTATIKUS MÓDSZERREL

GŐZNYOMÁS MÉRÉSE SZTATIKUS MÓDSZERREL GŐZNYOMÁS MÉÉSE SZTATIKUS MÓDSZEEL (Takács Mihály Bencze László) A gyakorlaton a dietil-éter folyadék gőz egyensúlyi görbéjének egy szakaszát határozzuk meg, és az ln p = f(t -1 ) függvény meredekségéből