Вивчення явища випаровування води

Завдання роботи:

1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
2. Оцінити кількість молекул води, що випаровуються з одиниці площі поверхні води за визначеної температури.

Обладнання:

2 датчики температури, аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) Einstein LabMate+, з’єднувальні кабелі, ПК, скляні стакани (1 на  400 мл та 2 на 100 мл), електричний нагрівник, кришка для стакана, вода.

Основні терміни та поняття

Випаровування й конденсація – Теплота й молекулярна фізика ПАРА. ВИПАРОВУВАННЯ І КОНДЕНСАЦІЯ – ВЛАСТИВОСТІ ПАРИ Питома теплота пароутворення деяких речовин

Теоретична частина

Рис. 1. Обладнання для дослідження явища випаровування води

З огляду на формулювання дослідження, оберемо метод визначення кількості молекул, що опирається на результати зміни температури води у двох склянках, одна з яких накрита кришкою. При остиганні води стакан з водою віддає частину енергії в навколишнє середовище шляхом теплопровідності, конвекції та випромінювання. Інша частина енергії втрачається за рахунок процесу випаровування води з вільної поверхні у стакані. Накривши один стакан кришкою, можна відокремити процес випаровування. Логічно, що температура в закритому стакані буде зменшуватися повільніше, ніж у відкритому. Побудувавши залежність зміни температур у обох стаканах, можна перейти до аналізу втрат тепла.

Припустимо, що на деякому інтервалі часу температура води у відкритому стакані змінилася від t₁ до t₂, а у закритому – від t₁ до t₃. Тоді кількість теплоти, втрачена відкритим стаканом, обчислюється за виразом:

(1)

де  – питома теплоємність води,

m_в – маса води у стакані.

Кількість теплоти, втрачена закритим стаканом, обчислюється аналогічним виразом:

(2)

Різниця кількостей теплоти становитиме втрати на випаровування води з вільної поверхні:

(3)

З іншого боку, ця кількість теплоти пов’язана з масою води, яка перетворилася на пару:

(4)

де  – теплота пароутворення води.

Маса пари пов’язана з кількістю молекул виразом:

(5),

де  – молярна маса води,

 – стала Авогадро, рівна кількості молекул речовини в одному молі.

Розділивши кількість молекул на площу випаровування та час випаровування, отримаємо шукану швидкість випаровування:

,(6)

де S – площа поверхні випаровування,

Δt – інтервал часу випаровування.

Хід роботи

1. За допомогою нагрівача нагрійте у склянці об’ємом 400 мл воду до температури 70 °С.
2. Датчик температури закріпіть у кришці для стакана об’ємом 100 мл.
3. Виміряйте діаметр стакана та занесіть результат до таблиці.
4. Приєднайте датчики температури до АЦП.
5. З’єднайте АЦП із USB-входом вашого ПК (дочекайтеся моменту, коли світлодіод на АЦП змінить колір з червоного на жовтий або зелений).
6. Запустіть програму MiLAB, обравши іконку .
7. Натисніть кнопку на АЦП так, щоб світлодіод почав блимати.
8. Оберіть внизу вікна «Повне налаштування».
9. Оберіть дискретизацію «Авто», встановіть частоту замірів – 1 замір на 10 секунд, кількість замірів – 50.
10. Оберіть «Мінімальні налаштування».
11. Швидко налийте у два стакани нагріту воду в кількості 80 мл, помістіть у них датчики температури, щільно накривши один стакан кришкою.
12. Натисніть кнопку «Старт»  і дочекайтеся завершення реєстрації даних. Експеримент триває близько  10 хв.

Аналіз даних

1. Оберіть на графіку зміни температури у відкритому стакані невелику ділянку, що відповідає зміні температури на 3°С, встановивши на початок ділянки «Перший курсор» .
2. Зчитайте поряд з курсором точне значення початкової температури та занесіть до таблиці результатів.
3. Перемістіть «Перший курсор» у кінець ділянки, зчитайте точне значення температури  та занесіть до таблиці результатів.
4. Перемістіть «Перший курсор» на початок ділянки та встановіть «Другий курсор»  у кінець ділянки. Зчитайте точне значення інтервалу часу  та занесіть до таблиці результатів.
5. Зніміть курсори з першого графіка та перейдіть до аналізу другого графіка, що відповідає зміні температури в накритому стакані.
6. Оберіть «Першим курсором» точку, що відповідає температурі .
7. Установіть «Другий курсор» у точку, часова координата якої віддалена на величину  від першої точки, зчитайте точне значення температури  та занесіть до таблиці результатів.
8. Розрахуйте з точністю до цілого числа  за виразами (1), (2), (3), врахувавши масу води у 0,08 кг, та занесіть до таблиці результатів.
9. За виразом (4) розрахуйте масу пари з точністю до 3 знака після коми та занесіть до таблиці результатів.
10. За виразом (5) розрахуйте кількість молекул та занесіть до таблиці результатів.
11. Розрахуйте площу перерізу стакана за виразом  та за виразом (6) –  швидкість випаровування.
12. Занотуйте висновки до роботи.

Таблиця результатів

Розвиток дослідження

Виходячи з результатів спостереження, спрогнозуйте та з’ясуйте методику перевірки гіпотези про залежність швидкості випаровування від температури.