Бензолу.

Мета роботи – експериментально вивчити залежність тиску насичених парів бензолу від температури, а також визначити питому теплоту випаровування бензолу.

Для опису стану речовини і фазових переходів, що відбуваються в ній, зручно користуватися фазовими діаграми (діаграмою стану). Криві на рис.13 розділяють однорідні стани речовини, які відрізняються своїми фізичними властивостями: газоподібний (г), рідкий (р), твердий (т). Ці стани називають фазами. Для води, наприклад, це пар, вода і лід. Перехід речовини з однієї фази в іншу називається фазовим переходом. Фазові переходи бувають І і ІІ родів. Під час фазових переходів І роду поглинається або виділяється певна кількість теплоти. Температура і тиск при цьому є сталими. До фазових переходів першого роду належать: правління, випаровування, сублімація, тощо.

Криві на фазовій діаграмі відповідають рівновазі між двома фазами. Так крива ОК відповідає рівновазі між рідкою і газоподібною фазами і називається кривою випаровування. В точці перетину всіх трьох кривих (т. О) при строго визначених значеннях тису і температури в рівновазі знаходяться одночасно всі три фази. Ця точка називається точкою потрійною.

Крива випаровування закінчується точкою К – критичним станом речовини, в якому зникає відмінність між фізичними властивостями рідкою і газоподібною фазами.

Фазові переходи І роду описуються рівнянням Клаузіуса-Клапейрона. Доведемо його.

Якщо здійснюється рівноважний фазовий перехід, то зміна ентропії є , де dQ – теплота, підведена до системи за час процесу при температурі переходу Т. Згідно першому закону термодинаміки теплота dQ, що підводиться до системи, йде на збільшення внутрішньої енергії системи dU і на роботу розширення pdV, тобто

або .

Виражаючи приріст ентропії внутрішньої енергії в об’ємі як різницю відповідних величин в цих станах, останній вираз можна записати у вигляді:

або .

Остання рівність означає, що функція Ф = U + pV – TS при фазовому переході не змінюється.

. (1)

Функція Ф називається термодинамічним потенціалом, диференціал якого описується формулою:

. (2)

При зміні в системі тиску р і температури Т на малу величину dp і dT маємо інший рівноважний стан:

.

З (2) випливає, що ; .

Підставляючи ці значення похідних в попереднє рівняння, отримаємо

або .

З останнього рівняння отримаємо залежність тиску від температури для рівноваги двох фаз чистої речовини:

.

Зважаючи на те, що при кількість теплоти дорівнює зміні ентальпії останнє рівняння запишемо у вигляді

, (3)

де L – питома теплота переходу з однієї фази в іншу; v₁, v₂ – питомі об’єми цих фаз (об’єми одиниці маси). Рівняння (3) носить назву рівняння Клаузіуса-Клапейрона.

Для випадку випаровування (3) запишемо у вигляді

,

де r – питома теплота пароутворення рідини при температурі переходу Т; v₁, v₂ – питомі об’єми пару та рідини.

При температурах значно нижчих за критичну питомий об’єм рідини значно менше питомого об’єму пару і ним можна знехтувати. Крім того, густина насиченого пару дуже мала і для нього можна використати рівняння стану ідеального газу

,

де p – тиск насичених пару, m – молярна маса пару. Звідки . Підставляючи значення v_г в рівняння Клапейрона-Клазіуса, отримаємо

.

Якщо прийняти, що теплота випаровування r не залежить від температури, то, інтегруючи, останню рівність, отримаємо .

На практиці теплота пароутворення r – це функція від температури, однак, використовуючи рівняння до вузького інтервалу температур, можна дослідити середнє значення теплоти пароутворення.

Останнє рівняння показує, що в неширокому інтервалі температур залежність від 1/Т на кривій випаровування лінійна. Тангенс кута нахилу графіка цієї лінії до осі 1/Т буде виражений як . Таким чином, для визначення середнього значення питомої теплоти випаровування треба по експериментальним значенням р і Т побудувати графік залежності і з нього визначити тангенс кута a нахилу одержаної прямої до осі 1/Т, а потім розрахувати середнє значення питомої теплоти випаровування для досліджуваного інтервалу температур: .

Для отримання залежності р від Т і визначення питомої теплоти випаровування в даній роботі використовується наступна установка (рис.14). У U-образну трубку залита ртуть, над якою в запаяному кінці знаходиться крапля бензолу, а над нею – насичена пара. Другий кінець U-образної трубки через буферну посудину, манометр, кран, сполучений з насосом, що дозволяє створювати в системі необхідне розрідження. Трубка поміщається в стакан з водою, що підігрівається електроплиткою. Температуру води, а отже, і бензолу вимірюють з допомогою термометра. Тиск насиченої пари бензолу вимірюється манометром, коли рівні ртуті в колінах U-образної трубки врівноважуються. Вимірюючи тиск при різних температурах, одержують шукану залежність.