Бабкин А.И. - Определение удельной теплоты сгорания топлива (1043374), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

где Δn — разность числа молей газа до и после реакции. (Однако так как термохимическая система знаков обратна термодинами­ческой, в данной работе при термохимических измерениях теп­ловые эффекты обозначают q и им приписывается положитель­ный знак при экзотермическом процессе.)

Тепловой баланс процесса в калориметрическом опыте выра- жается уравнением

где q_k — теплообмен калориметра с окружающей средой за время опыта.

Если бы исследуемый процесс и выравнивание температуры в калориметре происходили мгновенно, то теплообмен со средой был бы равен нулю (q_k = 0). В реальных условиях на это затра­чивается время, в течение которого калориметр получает от среды или отдает ей количество теплоты q_k. Значение q_k не вычисляют, 8

но опыт проводят в калориметре таким образом, чтобы на осно­вании полученных данных вычислить изменение температуры (отличное от изменения температуры того же процесса, но про­текающего мгновенно без тепловых потерь).

С этой целью калориметрический опыт начинают при условии близости системы к состоянию теплового равновесия, для чего температуру воды в калориметрической оболочке устанавливают на 1...2 градуса выше, чем в калориметрическом сосуде, так как при такой разности температур уравниваются скорости поступ­ления теплоты в калориметр и отдачи ее за счет испарения волы в калориметрическом сосуде. Кроме того, запись показаний на­чинают при установлении равномерного изменения температуры воды в калориметрическом сосуде, разделив по времени сам опыт на трет периода.

Начальный период при калориметрическом определении теп­лоты сгорания предшествует сжиганию навески и служит для учета теплообмена калориметрической системы с окружающей средой в условиях начальной температуры опыта.

Главный период учитывает время, в течение которого проис­ходит сгорание навески, передача выделившейся теплоты кало­риметрической системе и выравнивание температуры всех ее час­тей.

Конечный период служит Для учета теплообмена калоримет­рической системы с окружающей средой в условиях конечной температуры опыта.

Теплотой сгорания называется количество теплоты, выделяю­щееся при полном сгорании 1 г или 1 моль вещества. При полном сгорании вещества-горючего углерод превращается в диоксид уг­лерода, водород — в воду, сера — в диоксид серы, азот выделяется в свободном состоянии. Хотя при практическом использовании топлива не происходит его полного сгорания, теплота сгорания топлива является его основной характеристикой, определяющей эффективность работы различных тепловых машин и установок. В калориметрической бомбе навеска топлива, содержащая азот или серу, полностью сгорая в атмосфере сжатого кислорода, образует N₂O₅ и SОз (т.е. азотную и серную кислоту при раство­рении в воде).

Определение теплоты сгорания проводят в две стадии: опре­деляют суммарную теплоемкость калориметрической системы и ее содержимого по стандартному веществу с точно известной теплотой сгорания (им является бензойная кислота С₆Н₅СООН), а затем сжигают навеску горючего и рассчитывают его удельную теплоту сгорания.

9

2. УСТРОЙСТВО КАЛОРИМЕТРА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОТ СГОРАНИЯ

Калориметрическая установка состоит из калориметра, вклю­чающего калориметрический сосуд и калориметрическую оболоч­ку, калориметрической бомбы, пресса для брикетирования, уст­ройства для регистрации температуры (в зависимости от типа калориметра могут применяться метастатический термометр или цифровой вольтметр).

Калориметр представляет собой прибор настольного типа (рис. 1, 2). В верхней части калориметра (см. рис. 1) расположена вертикальная стойка с двумя держателями метастатического тер­мометра, предназначенного для измерения температуры воды в калориметрическом сосуде (термометр Бекмана). На этой же стойке расположен кронштейн, перемещающийся по стойке и самофиксирующийся в любом положении по высоте. На кронштейне расположены оптическая система и электромеханический вибратор.

10

Оптическая система представляет собой полый цилиндр с вмонтированными в него лупой шестикратного увеличения и лампой для подсветки шкалы термометра.

Электромеханический вибратор обеспечивает через равные промежутки времени постукивание ударником по метастатичес­кому термометру для устранения влияния капиллярных сил при перемещении мениска ртути.

На верхней крышке калориметра смонтирован термометр для измерения температуры воды в калориметрической оболочке. Для установления необходимой температуры воды в калориметричес­кой оболочке и термостатирования с высокой точностью исполь­зуется электроконтактный термометр.

На передней части калориметра расположена лицевая панель с элементами управления и сигнализации.

Внутреннее устройство калориметра представлено на рис. 2. Калориметрическая оболочка представляет собой тонкостенный цилиндрический латунный бак; на внутренней поверхности ко­торого расположен медный змеевик для прокачивания водопро­водной воды (при необходимости охлаждения воды в калоримет­рической оболочке). Внутренний объем калориметрической обо­лочки ограничен латунным гнездом, в которое помешают кало­риметрический сосуд. На крышке имеются два отверстия для установки платиновых термометров сопротивления. Если темпе-

11

ратуру измеряют метастатическим термометром, то его помещают в одно из отверстий, а другое закрывают специальной пробкой. К верхней текстолитовой плите крепятся корпус оболочки, ме­шалка и гнездо сосуда, а также плата с трубчатым нагревателем для подогрева воды в оболочке. В калориметрический сосуд на металлическую опору устанавливают калориметрическую бомбу. Крышка содержит токоподводы цепи зажигания и закрывает горловину калориметрического сосуда.

Для сжигания жидкого и твердого горючего применяют ка­-
лориметрическую бомбу, возможная схема которой приведена на
рис. 3. .

Бомба состоит из корпуса, накидной гайки, крышки, контр­гайки, металлического кольца и

резиновой прокладки, служащей для уплотнения между корпусом и крышкой. Накидные гайки за­винчиваются рукой, а оконча­тельное уплотнение осуществля­ется за счет давления кислорода внутри бомбы, после чего контр­гайку подтягивают до упора. Через входной клапан А бомбу заполняют кислородом. Через выходной клапан В дренируются газообразные продукты сгорания после сжигания.

Для сжигания газообразного топлива используют бомбу не­сколько другой конструкции, но при сохранении схемы самоуп­лотнения.

Для изготовления брикетов из порошкообразных веществ применяют специальный пресс.

Если для регистрации изме­нения температуры используют метастатический термометр (тер-

мометр Бекмана), то его настраивают так, чтобы мениск ртути в измерительном капилляре находился при температуре опыта вблизи делений шкалы 1...2. Метастатический термометр является термометром переменного наполнения и служит лишь для изме­рения разности температур (рис. 4). Он состоит из двух резерву­аров с ртутью, соединенных тонким измерительным капилляром. Нижний основной резервуар имеет относительно большой объем, 12

п оэтому даже незначительное изменение температуры вызы­вает заметное перемещение ме­ниска ртути по тонкому капил­ляру. Длина капилляра (шкала термометра) рассчитана на из­мерение разности температур не более 5 градусов, цена деления шкалы составляет 0,01 градуса. С помощью лупы отсчет темпе­ратуры производится с точнос­тью до 0,001 градуса.

Если регистрация изменения температуры производится циф­ровым вольтметром, в калори­метрический сосуд устанавливаются прецизионные термомет­ры сопротивления.

3. МЕТОДИКА КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

3.1. Подготовка навески твердого топлива

Навеску топлива рассчитывают так, чтобы повышение темпе­ратуры за время опыта составляло не менее двух и не более трех градусов, что соответствует навеске 0,8... 1,4 г (в зависимости от теплоты сгорания данного топлива). Взвешивают количество топ­лива, превышающее на 0,1 г намеченную массу брикета, и прес­суют его в брикет. Брикет взвешивают на часовом стеклышке или в калориметрической чашке, предварительно прокаленной и после охлаждения взвешенной на аналитических весах с точнос­тью до 0,1 мг.

3.2. Подготовка калориметрического опыта

1. Подсоединить резиновые шланги подвода воды к змеевику
   от водопроводной сети и слива ее к штуцерам, расположенным
   на задней стенке калориметра.

2. Заполнить оболочку калориметра дистиллированной водой
   при помощи воронки через отверстие для установки термометра
   (см. рис. 1). Когда вода начнет выливаться из отверстия верхнего

13

штуцера, установить на штуцер и плотно завернуть резьбовую заглушку.

1. Промыть калориметрический сосуд теплой водопроводной
   и дистиллированной водой, наружные поверхности сосуда и гнез­
   да протереть сухим полотенцем. Установить термометр (см.
   рис. 1) с резиновой втулкой в предназначенное для него отверс­-
   тие.

Настроить метастатический термометр Бекмана так, чтобы
при начальной температуре воды в калориметрическом сосуде
25±0,2 ˚С столбик ртути достигал отметки 1,2 шкалы термометра.

1. Из предварительно просушенной бензойной кислоты (в
   открытом бюксе в эксикаторе над пентаоксидом фосфора) при­
   готовить брикеты.

2. Определить массу запальной проволоки. С этой целью
   10... 15 отрезков проволоки длиной 60...70 мм каждый взвесить
   на лабораторных рычажных весах и вычислить массу одного
   отрезка

3. Установить на кислородный баллон редуктор с манометра­
   ми и подсоединить к нему накидной гайкой кислород проводя­-
   щую трубку от предварительно установленной на рабочем столе
   стойки с манометром и игольчатым клапаном.

4. ПРОВЕДЕНИЕ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОГО ОПЫТА

4.1. Определение суммарной теплоемкости калориметра с использованием метастатического термометра Бекмана

1. Взвесить брикет бензойной кислоты.

2. Поместить брикет в тигель и установить тигель в, кольцо
   держателя на крышке бомбы, установить крышку бомбы на спе-­
   циальную подставку (см. рис. 3).

3. Закрепить запальную проволоку, присоединив ее к токове-
   дущему штифту калориметрической бомбы и к трубке выходного
   клапана. Средняя часть проволоки должна касаться брикета бен­-
   зойной кислоты.

4. Если для зажигания навески, кроме проволоки, применя­-
   ется хлопчатобумажная нить, то ее нужно привязать к середине
   проволоки, а ее концы опустить на дно тигля таким образом,
   чтобы брикет прижал конец нити.

5. Налить в канавку крышки бомбы 1 мл дистиллированной
   воды. Затем надеть на крышку резиновую прокладку и косым
   срезом к ней металлическое кольцо, вставить крышку в корпус
   бомбы и завинтить рукой накидную гайку.

14

1. Открыть входной и выходной клапаны калориметрической
   бомбы, соединить входной клапан через кислородпроводящую
   трубку с кислородным баллоном, установить на выходе редуктора
   давление 3,1 МПа и, плавно открывая игольчатый клапан стойки
   с манометром, продуть бомбу кислородом для вытеснения воздуха
   в течение 2 минут при давлении не более 0,49 МПа. Если испы­-
   тываемый компонент топлива низкокипящий, то продувка не
   проводится.

2. Медленно (за 1...2 минуты) заполнить бомбу кислородом
   до давления 2,94 МПа. Закрыть ключом выходной клапан. За­
   крыть вентилем игольчатый клапан стойки с манометром. За­
   крыть ключом до упора входной клапан бомбы, отсоединить
   кислородпроводящую трубку, закрыв вентиль кислородного бал-

лона.

1. Проверить герметичность бомбы, опустив ее на 5 минут в
   стеклянный сосуд с дистиллированной водой.

2. Присоединить к токовым выводам бомбы проводники, дру­
   гие концы которых подсоединить к клеммам крышки калоримет­
   рического сосуда.

1. Установить бомбу в калориметрический сосуд.

2. Залить дистиллированную воду в калориметрический сосуд
   так, чтобы бомба была полностью погружена в воду. Масса воды
   должна быть равна заданной по результатам предварительных
   опытов, температура воды — не превышать 23 °С. Закрыть сосуд
   крышкой.

3. Определить массу залитой в калориметр воды (она должна
   быть постоянной при всех дальнейших определениях) по разнос­
   ти массы стакана с водой, из которого заполняется калориметр,
   до и после заполнения последнего.

4. Установить калориметрический сосуд в гнездо калоримет­-
   ра. Подсоединить контакты цепи зажигания и разъем нагревателя
   к гнездам сосуда. Установить метастатический термометр в ка-­
   лориметрический сосуд, плавно погружая его в воду таким об­
   разом, чтобы ртутный резервуар находился на уровне середины
   бомбы. Выбранное положение термометра должно быть посто-­
   янным при всех определениях.

1. Проверить положение ударника вибратора, он должен
   быть установлен с зазором 1...2 мм от стеклянной оболочки
   термометра.

2. Вставить вилку шнура с кнопкой зажигания в гнездо
   ЗАЖИГАНИЕ на лицевой панели калориметра, включить вилку
   шнура питания в сеть и последовательно нажать кнопки СЕТЬ,
   МЕШАЛКИ, ОСВЕТИТЕЛЬ ТЕРМОМЕТРА, ВИБРАТОР и (в
   случае необходимости) ЗУММЕР. Если при измерении темпера­
   туры применяется не звуковая, а световая сигнализация, отсчет

15

показаний по термометру производится по третьему загоранию сигнальной лампы ОТСЧЕТ (или по трем звуковым сигналам).

16. До начала измерений установить температуру воды в ка­
лориметрической оболочке 26...2S "С (по шкале электроконтакт­
ного термометра, включив нагреватели нажатием кнопок НАГРЕ-­
ВАТЕЛИ СОСУДА, ОБОЛОЧКИ). В калориметрическом сосуде
температура воды должна быть на 1...1,5 градуса ниже, чем в
оболочке, так как при этих условиях поправка на теплообмен
калориметра с окружающей средой минимальна. При установле­
нии нужного значения температуры воды в калориметрическом
сосуде нагреватель отключить нажатием кнопки НАГРЕВАТЕЛИ

Характеристики

Список файлов книги