实验十三  液体比汽化热的测定

液体比汽化热是液体的一个重要热学参数，在制冷效率、节能研究及工业生产中有重要的作用。物质由液态向气态转化的过程称为汽化，液体的汽化有蒸发和沸腾两种不同的形式。蒸发是发生在液体表面的汽化过程，在任何温度下都能进行，而沸腾是液体表面和内部同时发生的剧烈汽化现象。

在一定的外界压强下，沸腾只能在某一特定温度(沸点)发生，此时液体汽化突然加剧，在液体内部形成大量气泡并上升，逸出液面破裂。不管是哪种汽化过程，它的物理过程都是液体中一些热运动动能较大的分子飞离表面成为气体分子，而随着这些热运动动能较大分子的逸出，液体的温度将要下降，若要保持液体温度不变，在汽化过程中就需要外界不断供给热量。通常定义单位质量的液体在温度保持不变的情况下转化为气体时所吸收的热量称为该液体的比汽化热。液体的比汽化热不但和液体的种类有关，而且和汽化时的温度有关。因为温度升高，液相中分子和气相中分子的能量差别将逐渐减小，因而温度升高液体的比汽化热减小。物质由气态转化为液态的过程称为凝结，凝结时将释放出在同一条件下汽化所吸收的相同热量，因而可以通过测量凝结时放出的热量来测量液体汽化时的比汽化热。

【实验目的】

1．了解用线性温度传感器测量液体比汽化热；

2．本实验用量热器和集成温度传感器测量液体的比汽化热，学习液体比汽化热的一种电测量方法。

【实验仪器】

液体比汽化热测量仪、加热炉、烧杯、量热器、电源线、加热炉连接线、

传感器、数字温度计、电子天平、支架。

A.烧瓶盖;B.烧瓶;C.通汽玻璃管;D.托盘;E.电炉;F.绝热板;G.橡皮管;H.量热器外壳;

I.绝热材料；  J.量热器内杯；  K.铝搅拌器；  L.AD590；  M.温控和测量仪表

图8-1  实验装置图

本仪器对传统的液体比汽化热实验中的加热、输汽装置进行了改进，避免蒸汽在传输过程中的热量损失，减小了实验误差。对加热电炉增加温控控制电路，便于控制水过激沸腾，并保证水蒸汽输入量热器的速率达到实验要求。本实验中量热器内杯与外杯采用聚苯乙稀发泡塑料填充进行绝热，这比空气绝热的量热器绝热效果优良。对温度测量本仪器采用集成电路温度传感器(线性温度传感器)，实现了液体比汽化热的非电量电测，较准确地测量水和其他液体的比汽化热。本仪表同时可用于冰的熔解热，液氮比汽化热等潜热的测量。实验测量的准确性和可靠性均很好。

实验装置如图8-1所示。玻璃烧瓶中盛水，可由电炉加热至沸腾。烧瓶的帽盖上有一小孔，多余蒸汽可从小孔中逸出。烧瓶中间有一玻璃管可以往下通水蒸汽，水蒸汽先经过处于100℃水温的玻璃管，然后经过很短的玻璃管和乳胶管进入量热器的水中，这样可减少水蒸汽在输送过程中先凝成水滴后再被带入量热器。集成温度传感器用于测量量热器中水的温度。

【实验原理】

本实验采用混合法测定水的比汽化热。方法是将烧瓶中接近100℃的水蒸汽，通过短的玻璃管加接一段很短的橡皮管(或乳胶管)插入到量热器内杯中。如果水和量热器内杯的初始温度为，而质量为的水蒸汽进入量热器的水中被凝结成水，当水和量热器内杯温度均一时，其温度值为，那么水的比汽化热可由下式得到：

      　 　　　（8-1）

其中，为水的比热容；为原先在量热器中水的质量；为铝的比热容；和分别为铝量热器内杯和铝搅拌器的质量；₃为水蒸汽的温度；为水的比汽化热。

集成电路温度传感器是由多个参数相同的三极管和电阻组成。该器件的两引出端当加有某一定直流工作电压时（一般工作电压可在范围内），如果该温度传感器的温度升高或降低，那么传感器的输出电流增加或减少1A，它的输出电流的变化与温度变化满足如下关系：

                                                  （8-2）

其中，为的输出电流，单位A；为摄氏温度，为斜率，为摄氏零度时的电流值，该值恰好与冰点的热力学温度相对应(实际使用时，应放在冰点温度时进行确定)。利用集成电路温度传感器的上述特性，可以制成各种用途的温度计。在通常实验时，采取测量取样电阻R上的电压求得电流。

【实验内容】

一．必做部分：

1．集成电路温度传感器的定标

每个集成电路温度传感器的灵敏度有所不同，在实验前，应将其定标。按图8-2要求接。（实际在我们提供的测量仪器中已经接好电阻为，数字电压表为四位半，传感器加电源电压为。你只要把的红黑接线分别插入面板中的输入孔即可进行定标或测量）。

2．定标工作如下：                                           图8-2

（1）电炉的电源线拔掉，量热器内杯里放入冰水混合物，集成电路温度传感器实际接触冰水混合物。

（2）这时记下数字电压表的值（唯一确定）。

（3）连接电炉的电源线，开始加热。

（4）量热器内杯里放入数字温度计，开始记录数字电压表值和数字温度计值（组以上对应的数据）。

（5）把实验数据用最小二乘法进行直线拟合，求得斜率，截距和相关系数。

3．水的比汽化热的测定

（1）用电子天平称出铝量热器内杯加铝搅拌器的质量，然后在量热器内杯中灌一定量的水，再称出盛有水的量热器内杯和搅拌器的总质量，减去后得到水的质量。

（2）将量热器的内杯及其中的水放在冰块上预冷到室温以下的温度。(但此温度须高于环境的露点，为什么?) 如果低于露点，则实验过程中量热器内杯外表有可能凝结上薄水层，从而释放出热量，影响测量结果。

（3）把烧瓶（里面的水面不超过通汽玻璃管的一半，防止烧瓶内水沸腾时进入通汽玻璃管）放在电炉上加热，开始加热时可以通过温控电位器顺时针调到底，当烧瓶内水沸腾时可以由温控器调节，保证水蒸汽输入量热器的速率符合实验要求。此时可将烧瓶上颈口盖子（与颈口中间夹纸片，否则水沸腾以后拔不了盖子）转动，使于℃的水蒸汽从通气孔逸出，不把乳胶管插入量热器，使蒸汽不进入量热器的水中。当烧瓶中的水沸腾时，先读下数字电压表的示值，再关闭通气孔，将预冷过的内杯放进量热器内，再放在水蒸汽管下，使通汽乳胶管插入量热器水中约1毫米深（注意汽管不宜插入太深以防止通汽管被堵塞）并不断轻轻地搅拌量热器中的水，使℃的水蒸汽进入量热器的水中（通蒸汽过程中须持续搅拌，通蒸汽时间的长短以下述要求来确定：尽可能使量热器中水的末温与室温的温差同室温与初温差值相近，这样可使实验过程中量热器内杯与外界热交换得到抵消）。

（4）停止电炉通电，并打开瓶盖不再向量热器通汽，将通蒸汽管从量热器中拔出(注意尽量不要将量热器内水带出)，停止向量热器进蒸汽，继续搅拌量热器内杯中的水，读出水和内杯温度开始均匀相等时末温。并通过称衡量热器内杯和其中水的质量，经过计算以求得进入量热器中的水蒸汽的质量。     

（5）将各测量值代入式(8-1)求得水在℃左右时的比汽化热。

【实验数据和结果】

1．集成电路温度传感器AD590定标结果。

经最小二乘法拟合得   ;    ;

2．水的比汽化热的测量数据如下：

    ;   ；

查表得：； 

二．选做内容:测量其他液体的比汽化热

测量除水以外其他各种液体的比汽化热，可在烧瓶的通蒸汽管下部连接一个细长盘绕的金属冷凝管。冷凝管用短橡皮管与通蒸汽管相接。冷凝管被浸没在量热器的水中，只露出细管与大气相通。待测液体的蒸汽进入冷凝管后因冷却而凝结成液体，当蒸汽被凝结为一定量的液体时，停止加热，打开通气孔，停止向量热器进蒸汽。整个实验步骤与测量水的比汽化热相同，只是被凝结的蒸汽的质量可通过称衡通蒸汽后量热器内杯冷凝管和液体的质量减去通蒸汽前量热器内杯和冷凝管质量得到，凝结过程中释放的热量可由量热器测量，方法同一。

【思考题】

1． 为什么烧瓶中的水未达到沸腾时，水蒸汽不能通入量热器中？

2． 本实验测温度为什么要用集成温度传感器？它比用水银温度计有什么优点？

3． 用本实验装置测量水的比汽化热可能产生哪些误差？如何改进？

 

第二篇：液体饱和蒸气压和摩尔汽化热的测定

实验二 液体饱和蒸气压和摩尔汽化热的测定

一、实验目的

1.明确纯液体饱和蒸气压的定义和气液两相平衡的概念，掌握纯液体饱和蒸气压和温度关系的克劳修斯—克拉贝龙方程及物质摩尔气化热的求算方法。

2.学习真空的获得与检漏技术，学会用等压计测定不同温度下液体饱和蒸气压的方法.

二．实验原理

在一定的温度下，真空密闭容器内的液体能很快和它的蒸汽相建立动态平衡，即蒸汽分子向液面凝结和液体中分子从表面逃逸的速率相等。此时液面上的蒸汽压力就是液体在此温度下的饱和蒸汽压。纯液体的饱和蒸汽压与液体的本性（分子大小、结构、形状）和温度、外压有关。其值是物质重要的物性参数，对研究气-液相变基础理论、相变热力学具有特别重要的意义。在热物理、化学物理及热力学、石油化工、分离与提纯、冶金、材料科学与工程等领域都具有广泛的应用。

当外压一定时，纯液体的蒸汽压与温度的关系可用克拉贝龙—克劳修斯方程式描述

?p?dln?\?p=ΔHm dTRT2

式中p为液体在温度T时的饱和蒸汽压（Pa），T为热力学温度（K），△Hm为液体摩尔气化热（J·mol-1），R为气体常数。如果温度变化的范围不大，△Hm可视为常数，将上式积分可得：

lnΔHmp＝－＋C \pRT

式中C为积分常数。由上式可见，若在一定温度范围内，测定不同温度下的饱和蒸汽压，以lnΔHm1p对作图，可得一直线，直线的斜率为－，而由斜率p\TR可求出实验温度范围内液体的平均摩尔气化热△Hm。

当液体的蒸汽压与外界压力相等时，液体便沸腾，外压不同，液体的沸点也不同，我们把液体的蒸汽压等于101.325KPa时的沸腾温度定义为液体的正常沸点。从图中也可求得该液体的正常沸点。

测量物质的饱和蒸汽压常用的方法有动态法和静态法。本实验采用静态法测定乙醇的饱和蒸汽压。即将待测物质放在一个密闭体系中，在不同的温度下，直接测量蒸汽压或在不同外压下测定液体相应的沸点。要求体系内无杂质气体，一般适用于蒸汽压较大的液体。通常是用平衡管（又称等位计）进行测定。平衡管由一个球管A与一个U形管B连接而成（如图1所示），待测物质置于球管A内，U形管B中放置待测液体。将平衡管和抽气系统、压力计连接，在一定温度下，当U形管中的液面在同一水平时，表明U形管两臂液面上方的压力相等，记下此时的温度和压力，则压力计的示值就是该温度下液体的饱和蒸汽压，或者说，所测温度就是该压力下的沸点。可见，利用平衡管可以获得并保持体系中为纯试样的饱和蒸汽，U形管中的液体起液封和平衡指示作用。其实验装置简图为

图1 玻璃恒温水浴系统装置图（A为球管；B为U形管）

图2 静态法测液体饱和蒸汽压装置图

三、仪器与试剂

DP-AF精密数字（真空）压力计 1台

SYP-3玻璃恒温水浴 1套

平衡管（带冷凝管） 1支

不锈钢缓冲真空槽 1台

循环水真空泵及附件 1套

乙醇（A.R）

四、实验步骤

1. 装样、连接各部件

将平衡管内装入适量待测液体乙醇。A球管约2/3体积，U形管两边各1/2体积，然后按图装好各部分。如图1、2所示(各个接头处用短而厚的橡皮管连接，然后再用石蜡密封好，此步骤实验室已装好)。

2．压力计调零

打开DP-AF精密数字压力计电源关闭，预热5min, 同时按下“复位键”、“单位”调至“kPa”。关闭平衡阀2，打开平衡阀1，按下压力计面板上的采零键，使示值为零（大气压被视为零值看待）。

3. 检查系统气密性

关闭与大气相通的阀1，打开阀2和进气阀使系统与真空泵相通，开动真空泵，抽气减压至压力计显示 -99到-98kPa 时（约2-3min），关闭进气阀 (此时真空泵不关)。若压力计示数下降值<0.01kPa/秒，则表明系统不漏气，否则应逐段检查，消除漏气原因。

4. 排除球管上方空间内的空气

打开抽气阀，继续抽气减压使气泡一个一个地逸出至液体轻微沸腾，此时A、B 弯管内的空气不断随蒸汽逸出（若气泡成串冲出沸腾不止时，可以打开阀1，使少许空气进入），如此3～4min空气被排除干净后，关闭平衡阀2和抽气阀，拔除抽气胶管后关闭真空泵（防止循环水倒吸入胶管）。

5. 饱和蒸汽压的测定

（1）打开恒温槽开关，当水温升至40℃、液体沸腾时，缓慢打开阀1、放入少许空气使U型管中左右侧两边液面平齐时，关闭阀1，记录温度和压力。

（2）打开平衡阀2，使实验负压读数稳定后关闭阀2。温度升高2℃时，液体沸腾时，缓慢打开阀1、放入少许空气使U型管中左右侧两边液面平齐时，关闭阀1，记录温度和压力。重复上述操作，测8组数据后，关闭所有电源，打开阀1、2和抽气阀使系统与大气相通。整理好装置（但不要拆装置）待下组实验之用。

五、数据记录及数据处理

室温 ℃； 大气压 kPa

绘制ln

p1～ 作图，求出液体的摩尔气化热及正常沸点。 p\T

【注意事项】

1．等压计A球液面上空气必须排除干净，因为若混有空气，则测定结果便是乙醇与空气混合气体的总压力而不是乙醇的饱和蒸汽压。检查方法，连续两次排空气后压力计读数<0.1kPa。

2. 要防止被测液体过热，以免对测定饱和蒸汽压带来影响，因此不要加热太快，以免液体蒸发太快而来不及冷凝，冲到冷凝观上端T型管处。

【思考题】

1. 实验要想得到准确的实验结果，其关键操作是哪一步？（关键一步是排空气，一定要把空气排尽）。

2. 怎样判断球管液面上空的空气被排净？若未被驱除干净，对实验结果有何影响？

3. 如何防止U形管中的液体倒灌入球管A中？若倒灌时带入空气，实验结果有何变化？

4. 试分析引起本实验误差的因素有哪些？