сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Тип 0 № 3884
i

(«Смесь паров») В ла­бо­ра­тор­ных жур­на­лах Ф. Д. Ч. Уил­лар­да был най­ден отчет об одном ин­те­рес­ном экс­пе­ри­мен­те. В нем ис­сле­до­ва­лось по­ве­де­ние дав­ле­ния смеси су­хо­го воз­ду­ха и паров двух до­воль­но не­обыч­ных син­те­зи­ро­ван­ных ис­сле­до­ва­те­лем ве­ществ при из­ме­не­нии объ­е­ма смеси. На ри­сун­ке по­ка­за­ны за­ви­си­мо­сти дав­ле­ний на­сы­щен­ных паров этих ве­ществ от тем­пе­ра­ту­ры (в той об­ла­сти зна­че­ний тем­пе­ра­ту­ры, в ко­то­рой про­во­ди­лись ис­сле­до­ва­ния). В ка­че­стве при­ме­ра ниже при­ве­де­на таб­ли­ца зна­че­ний дав­ле­ния смеси в со­су­де под порш­нем при раз­ных объ­е­мах для не­ко­то­рой по­сто­ян­ной тем­пе­ра­ту­ры. В жур­на­ле от­ме­че­но, что «по­лу­чен­ная в этом опыте изо­тер­ма об­ла­да­ет ин­те­рес­ной осо­бен­но­стью  — на ней за­ме­тен толь­ко один излом, по­ло­же­ние ко­то­ро­го от­ме­че­но в таб­ли­це звез­доч­кой». Опре­де­ли­те тем­пе­ра­ту­ру изо­тер­мы и вы­чис­ли­те ко­ли­че­ства ве­ществ 1 и 2 в смеси. Най­ди­те, до какой тем­пе­ра­ту­ры нужно на­греть смесь при объ­е­ме 40 л, чтобы в ней не оста­лось жид­ких ком­по­нент. Из­вест­но, что в жид­ком со­сто­я­нии эти ве­ще­ства не сме­ши­ва­ют­ся. Опыт про­во­дил­ся в не­ве­со­мо­сти, и ни­ка­кие из ком­по­нент смеси не по­ки­да­ли со­су­да.

 

V, л30,040,050,0*60,070,0
p, кПа127,61104,1690,0875,0764,34
Спрятать решение

Ре­ше­ние.

Дав­ле­ние смеси со­зда­ет­ся сум­мой пар­ци­аль­ных дав­ле­ний су­хо­го воз­ду­ха и паров ве­ществ. Обо­зна­чим υ  — ко­ли­че­ство су­хо­го воз­ду­ха в смеси, υ1 и υ2  — ко­ли­че­ства ве­ществ 1 и 2. Тогда, пока оба ве­ще­ства на­хо­дят­ся толь­ко в га­зо­об­раз­ном со­сто­я­нии, дав­ле­ние равно

p= левая круг­лая скоб­ка v плюс v _1 плюс v _2 пра­вая круг­лая скоб­ка дробь: чис­ли­тель: R T, зна­ме­на­тель: V конец дроби .

Точка из­ло­ма на изо­тер­ме па­ро­воз­душ­ной смеси по­яв­ля­ет­ся, когда пар на­чи­на­ет кон­ден­си­ро­вать­ся (до этого изо­тер­ма  — глад­кая ги­пер­бо­ла). Един­ствен­ность из­ло­ма озна­ча­ет, что оба ве­ще­ства на­чи­на­ют кон­ден­си­ро­вать­ся од­но­вре­мен­но, то есть пар­ци­аль­ное дав­ле­ние каж­до­го из них ста­но­вит­ся рав­ным дав­ле­нию на­сы­щен­но­го пара при одном и том же зна­че­нии объ­е­ма. Зна­чит, в точке из­ло­ма

p_0 V_0= левая круг­лая скоб­ка v плюс v _1 плюс v _2 пра­вая круг­лая скоб­ка R T= v R T плюс p_1 плюс p_2,

где p1 и p2  — дав­ле­ния на­сы­щен­ных паров 1 и 2 при тем­пе­ра­ту­ре T. Кроме того,

 дробь: чис­ли­тель: R T, зна­ме­на­тель: V_0 конец дроби = дробь: чис­ли­тель: p_1, зна­ме­на­тель: v _1 конец дроби = дробь: чис­ли­тель: p_2, зна­ме­на­тель: v _2 конец дроби \Rightarrow дробь: чис­ли­тель: p_2, зна­ме­на­тель: p_1 конец дроби = дробь: чис­ли­тель: v _2, зна­ме­на­тель: v _1 конец дроби .

За­пи­шем вы­ра­же­ние для дав­ле­ния при зна­че­нии объ­е­ма V_A мень­ше V_0:

p_A=p_1 плюс p_2 плюс дробь: чис­ли­тель: v R T, зна­ме­на­тель: V_A конец дроби .

Ис­клю­чая из этого вы­ра­же­ния и урав­не­ния

p_0=p_1 плюс p_2 плюс дробь: чис­ли­тель: v R T, зна­ме­на­тель: V_0 конец дроби

зна­че­ние υRT, по­лу­чим:

p_1 плюс p_2= дробь: чис­ли­тель: p_0 V_0 минус p_A V_A, зна­ме­на­тель: V_0 минус V_A конец дроби .

На­при­мер, для V_A=30 л най­дем, что

p_1 плюс p_2= дробь: чис­ли­тель: p_0 V_0 минус p_A V_A, зна­ме­на­тель: V_0 минус V_A конец дроби \approx 33,785 кПа.

Ана­ло­гич­но для V_B=40 л p_1 плюс p_2 \approx 33,76 кПа, и для боль­шей точ­но­сти возь­мем сред­нее этих зна­че­ний: p_1 плюс p_2 \approx 33,77 кПа.

Те­перь мы можем вос­поль­зо­вать­ся гра­фи­ком дав­ле­ний на­сы­щен­ных паров: тем­пе­ра­ту­ра изо­тер­мы со­от­вет­ству­ет тем­пе­ра­ту­ре, при ко­то­рой сумма этих дав­ле­ний равна най­ден­но­му зна­че­нию. Кри­вую за­ви­си­мо­сти p_1 плюс p_2 от тем­пе­ра­ту­ры можно стро­ить «по­то­чеч­ным» сум­ми­ро­ва­ний зна­че­ний дав­ле­ний. Тогда можно за­ме­тить, что c не­пло­хой точ­но­стью нам под­хо­дит T \approx 271,0 К . От­ме­тим, что при этом зна­че­нии тем­пе­ра­ту­ры p_1 \approx 11,26 кПа и p_2 \approx 22,51 кПа (ко­неч­но, по­след­ний раз­ряд здесь ука­зан «про запас»  — ре­аль­ная точ­ность поз­во­ля­ет уве­рен­но на­хо­дить зна­че­ния с точ­но­стью не выше \pm 0,2 кПа пра­вая круг­лая скоб­ка . Как видно,  дробь: чис­ли­тель: p_2, зна­ме­на­тель: p_1 конец дроби \approx 2,0. Зна­чит,  дробь: чис­ли­тель: v _2, зна­ме­на­тель: v _1 конец дроби \approx 2,0. Это зна­че­ние при ак­ку­рат­ной ра­бо­те может быть опре­де­ле­но с точ­но­стью около 3%. Кроме того, те­перь мы можем опре­де­лить

 v _1= дробь: чис­ли­тель: p_1 V_0, зна­ме­на­тель: R T конец дроби \approx 0,25 моля

и  v _2 \approx 0,50 моля. При тем­пе­ра­ту­ре изо­тер­мы и объ­е­ме V_B=40 л оба ве­ще­ства ча­стич­но скон­ден­си­ро­ва­ны, и для их пол­но­го ис­па­ре­ния тем­пе­ра­ту­ру нужно по­вы­сить, чтобы дав­ле­ние каж­дой ком­по­нен­ты стало мень­ше или равно дав­ле­нию на­сы­щен­но­го пара. Зна­чит, для опре­де­ле­ния ми­ни­маль­ной не­об­хо­ди­мой тем­пе­ра­ту­ры нам нужно ре­шить урав­не­ние

 дробь: чис­ли­тель: v R T, зна­ме­на­тель: V_B конец дроби =p_H левая круг­лая скоб­ка T пра­вая круг­лая скоб­ка .

Это можно сде­лать гра­фи­че­ски (по­стро­ив на гра­фи­ке для каж­до­го ве­ще­ства пря­мую p= дробь: чис­ли­тель: v R T, зна­ме­на­тель: V_B конец дроби и найдя ее пе­ре­се­че­ние с p_H левая круг­лая скоб­ка T пра­вая круг­лая скоб­ка   — см. по­стро­е­ние на гра­фи­ке) или чис­лен­но, сняв за­ви­си­мость p_H левая круг­лая скоб­ка T пра­вая круг­лая скоб­ка и вы­чис­лив ве­ли­чи­ну  дробь: чис­ли­тель: p_H левая круг­лая скоб­ка T пра­вая круг­лая скоб­ка , зна­ме­на­тель: T конец дроби , а затем найти точку, где она равна  дробь: чис­ли­тель: v R, зна­ме­на­тель: V_B конец дроби . Как видно, в ходе изо­хо­ри­че­ско­го на­гре­ва­ния при объ­е­ме V_B=40 л ве­ще­ство 2 пол­но­стью ис­па­рит­ся при тем­пе­ра­ту­ре T_2 \approx 272,6 К , а ве­ще­ство 1  — при T_1 \approx 273,0 К . Зна­чит, для пол­но­го ис­па­ре­ния обеих ком­по­нент нужно на­греть смесь до 273 K.

 

Ответ: тем­пе­ра­ту­ра изо­тер­мы T \approx 271 К , ко­ли­че­ства ве­ществ  v _1 \approx 0,25 моля и  v _2 \approx 0,50 моля, для пол­но­го ис­па­ре­ния обеих жид­ких ком­по­нент в объ­е­ме 40 л нужно на­греть смесь до тем­пе­ра­ту­ры T_1 \approx 273 К .

Спрятать критерии
Критерии проверки:

Дей­ствияМакс. балл
За­пи­са­ны урав­не­ния Мен­де­ле­е­ва-Кла­пей­ро­на для точки из­ло­ма и при мень­шем

объ­е­ме

2
Ис­поль­зу­ет­ся идея о том, что кон­ден­са­ция двух паров на­ча­лась од­но­вре­мен­но4
Пра­виль­но вы­чис­ле­на p1 + p22
Пра­виль­но опре­де­ле­на тем­пе­ра­ту­ра изо­тер­мы (271 ± 0,1) К (если по­па­да­ние толь­ко в (271 ± 0,3) К  — 1 балл)4
Пра­виль­но най­де­но υ1 (0,25 ± 0,05) моля2
Пра­виль­но най­де­но υ2 (0,50 ± 0,05) моля 2
За­пи­са­но пра­виль­ное урав­не­ние (вы­пол­не­но пра­виль­ное по­стро­е­ние) для опре­де­ле­ния тем­пе­ра­ту­ры пол­но­го ис­па­ре­ния2
Най­де­на тем­пе­ра­ту­ра пол­но­го ис­па­ре­ния (273 ± 0,2) К (если по­па­да­ние толь­ко в (273 ± 0,4) К  — 1 балл)2
Всего10
Классификатор: МКТ и тер­мо­ди­на­ми­ка. Урав­не­ние со­сто­я­ния иде­аль­но­го газа