Измерение коэффициента диффузии паров легко испаряющейся жидкости в воздухе

Если в неком объеме имеется неоднородная смесь газов (при схожих по всему объему давлении и температуре), то термическое движение перемешивает их, пока всюду не появляется однородная смесь молекул, в какой парциальное давление и плотность каждого газа будут схожими во всех частях объема. Этот процесс выравнивания концентраций именуется диффузией. Разглядим одномерный случай, когда плотность диффундирующего газа находится в зависимости от одной только координаты (обозначим её х ), и плоскости, перпендикулярные оси ОХ , являются плоскостями равных концентраций. Тогда количество вещества dМ, перенесенное через какую-нибудь площадку S, перпендикулярную оси ОХ за время d t равно где — градиент плотности при D — коэффициент диффузии, который численно равен количеству вещества, переносимого через единичную площадку за единицу времени при единичном градиенте плотности. В общем случае D зависит от концентрации газов, но при малой концентрации 1-го из газов, коэффициент диффузии можно считать неизменным, т.е. независящим от . Для определения коэффициента диффузии паров воды в воздухе при малых концентрациях паров применяется последующий способ: жидкость наливается на дно длинноватой узенькой ампулки, укрепленной на чашечке магнитных весов. Испаряющиеся с поверхности молекулы воды диффузионным методом (если отсутствует смешивание газа) удаляются из ампулки. Будем исходить из догадки, что над поверхностью воды находится насыщенный пар. У краев ампулки концентрация молекул равна нулю. Чем выше ампулка, тем вероятнее 1-ое предположение. При большой высоте h градиент плотности паров мал. В связи с этим диффузионный поток невелик, то есть сравнимо не достаточно молекул пара отводится методом диффузии от поверхности воды. В итоге процесс испарения будет успевать поставлять в пар столько молекул, что над поверхностью воды будет насыщенный пар. Давление его соответствует температуре Т, при которой проводится опыт, и определяется по графику зависимости (Т). Что касается второго догадки, то оно тем вероятнее, чем выше и уже ампулка, потому что из высочайшей и узенькой ампулки в единицу времени выходит малозначительное количество паров воды, не создающее приметных концентраций в большенном объеме, окружающем ампулку. При выполнении этих догадок коэффициент диффузии может быть просто определен. Через некое время после помещения ампулки на чашу весов установится неизменный диффузионный поток молекул воды, уходящих из ампулки. Взвешивая ее через определенные промежутки времени (5-10 мин.), получаем зависимость конфигурации массы воды от времени t, зависимость, которая при установившемся процессе в координатах от t изображается прямой. Из наклона прямой определяем D, пользуясь формулой где S – площадь сечения ампулки, h – расстояние от поверхности воды до краев ампулки, — плотность насыщенных паров, которая находится по формуле: где — молекулярный вес воды, — давление насыщенных паров воды при температуре Т. Размеры ампулки могут быть подобны экспериментальным методом. Высота, к примеру, выбирается последующим образом: измеряем D при различных расстояниях h от поверхности воды до края ампулки. Начиная с некого значения , D перестает зависеть от h. Для опыта, как следует, можно воспользоваться ампулкой, для которой . С другой сторо­ны, следует держать в голове, что чем больше высота и меньше поперечник ам­пулки, тем меньше изменение в массе, потому наращивать высоту и уменьшать поперечник нужно в таких границах, чтоб изменение в массе было не очень не достаточно. Опыт следует создавать при неизменной температуре, посколь­ку D=D(Т), и избегать конвекции в газе, что достигает­ся плавным взвешиванием на магнитных весах и предохранением ус­тановки от толчков.

Выполнение работы

Закрытая ампулка с испытуемой жидкостью ставится на правую чашечку весов и уравновешивается при помощи разновесов. Снимаем крышку с ампулки и кладем её на ту же чашечку. Изменение массы ампулки с жидкостью в итоге диффузии уравновешивается в предстоящем при помощи поочередно соединенных катушек — соленои­дов, через которые пропускается ток. Магнитные поля катушек направлены в одну и ту же сторону, что приводит к их обоюдному отталки­ванию. Имеющаяся градуировочная кривая m(мг), I(мA) позволяет найти изменение массы воды, соответственное разным токам через катушки. Работу следует проводить при повсевременно включенном токе с тем, чтоб избежать колебаний чашек весов. Если ампулка непрозрачна, h следует определять так: взве­шивается пустая ампулка и ампулка с жидкостью. Разность масс где— плотность воды, – поперечник (внутренний) ампулки, – высота воды. Если L – длина ампулки, то h=L-l.

рис.2