气体扩散系数测定实验.docx
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气体扩散系数测定实验
实验原理
扩散属于由于分子扩散所引起的质量传递,扩散系数在工业中是一项十分重要的物性指标。
在如图所示的垂直细管中盛以待测组分的液体A,该组分通过静止气层Z扩散至管口被另一头气流B带走。
紧贴液面上方组分A的分压为液体A在一定温度下的饱和蒸汽压,管口处A的分压可视为零,组分A的汽化使扩散距离Z不断增加。
记录时间t与Z的关系即可计算A在B中的扩散系数。
液体A通过静止气体层的扩散为单相扩散,此时传递速率:
NA=D/(RTZ)·P/PBm·(PA1-PA2)可写成:
NA=ρ/RT·D/Z·ln(PB2/PB1) (a)
设S为细管的截面积,ρ为液体A密度。
在dt时间内汽化的液体A的量应等于液体A扩散出管口的量,即
SNAdt=ρSdZ/NA或:
NA=ρ/MA·dZ/dt (b)
设备介绍
实验主界面如下图所示
计算公式
T形管:
横管为两端开口的普通玻璃管,用于气体流通;竖管为下端封口的毛细管,用于盛放丙酮溶液(丙酮为被测气体),由于使用了毛细管,可以将被测气体的扩散视为一维的竖直扩散。
真空泵:
可生成20-60kPa的负压,使毛细管中扩散出的气体迅速离开管口,以保证管口处被测气体浓度不变(接近零)。
游标卡尺:
实验中使用精度为0.1mm的游标卡尺,可以通过显微镜对毛细管内的液位进行测量。
显微镜:
由于游标卡尺刻度较密,且置于水浴箱中,要借助显微镜进行读数。
水浴箱:
毛细管浸于水浴池中,使毛细管内液体保持恒温。
另外,温度高时扩散较快,可加快实验速度。
实验中要求设定为50度。
系统时钟:
可成倍加快实验速度,减少实验中的等待时间。
扩散系数:
D=BρRT/(2MAP)·1/ln(PB2/PB1)
ρ—丙酮密度,797kg/m3;
T—扩散温度,实验中要求设定为232K;
MA—丙酮分子量,58.05;
P—大气压,100kPa;
PB2—空气在毛细管出口处的分压,可视为P;
PB1—空气在毛细管内液面处的分压,PB1=P-PA*,PA*为丙酮的饱和蒸气压,
232K时PA*=50kPa;
B—以时间t为横坐标,Z2为纵坐标作图得到的直线的斜率。
实验时每隔10-15分钟测量一次扩散距离Z的数据,以Z2为纵坐标,时间为横坐标作图可得到B,将所有数据带入计算公式即可求得扩散系数。
注意事项
1.开始测量数据后,不要改变水浴温度,温度对扩散速率有影响。
2.测量时真空泵要一直开启。
3.计算时要注意单位的统一。
试验步骤:
进入实验后,水浴加热器与真空泵均未开启,鼠标点击两个红色开关即可打开相应的设备。
打开水浴加热器后,点击显示仪表盘可出现温度设置窗口,将温度设定为50度。
仪表盘默认显示的是当前实际温度,要察看或改变设定温度应按下右侧的“调节”按钮。
仪表盘将显示设定温度的同时,设定温度的个位或十位处于闪动状态,闪动状态的数字可以调节,再次按下“调节”按钮可以切换闪动位。
仪表盘右上方的“升高”与“降低”两个按钮可以对闪动数字进行调节。
调节完成后按下“设定”按钮即可切换到实际温度显示。
调节状态下,若30秒不进行任何操作,将自动切换回实际温度显示。
主界面的水浴温度显示盘下有3个温度指示灯,它们是用来指示水浴加热器工作状态的。
黄灯闪烁说明实际温度已高于设定值,正在降温。
红灯闪烁说明实际温度还未达到设定值,正在加热。
绿灯闪烁说明实际温度已达到设定值,正在保温。
点击真空泵的显示仪表盘也可出现设置窗口,不过实验中只是要保证气体流动顺畅,故实际上不需要对其进行调节,只要将泵打开即可。
仪表盘显示的是真空泵设定的压力,右侧的两个按钮可对真空泵压力进行调整,点击一次调整10kPa。
确定水浴温度达到50度、真空泵打开后,即可开始测量实验数据。
鼠标点击主界面上的显微镜即可出现显微镜的观测窗口。
第1次打开显微镜的观测窗口时,由于显微镜还没有对准毛细管的液面,故看不见液面与卡尺。
通过点击右上侧框格中的4个按钮,
通过点击右上侧框格中的4个按钮,可以将显微镜对准液面。
找到弯液面后,点击右下方框格中的两个按钮,将卡尺对准弯液面,有时需要再调节显微镜,找到游标卡尺对应的刻度,读取卡尺数据。
注意:
卡尺度数减去10cm才是扩散高度Z,因毛细管顶端对应的刻度是10cm。
读取扩散高度Z的同时,还要读取时间t,t直接在主界面上读取即可。
向上拖动时间下的滑块可以成倍加快实验速度,在两次测量的中间等待时可以适当加快速度。
若经过授权,可以自动记录数据。
实验要求连续测量10组以上数据,每隔10-15分钟量一组。
点击主界面左侧的数据处理,可以进入实验数据部分,通过自动或手动添入测量数据。
授权后点击主界面下方自动记录按钮即可自动将数据填入表格。
若要手动记录数据,点击表格中的相应区域,在表格中输入数据,输完一组数据后按回车键确认。
注意:
按回车键前要保证该组数据的完整性,若缺少任意一项数据,该组数据将不被记录。
不按回车键数据也将不被记录。
确认数据记录完整后,点击数据处理界面上方的数据作图及计算,对数据进行处理。
点击自动作图后可对测量数据进行最小二乘法回归处理。
作图后,利用已给出的公式即可算得扩散系数,将结果填入公式后的文本框即可打印实验报告,授权后也可自动进行计算。
公式中所用到的参数可在实验设备参数中查到。
实验数据计算完毕后,检查无误后即可打印实验报告。
点击数据处理窗口下方的报表按钮后可以预览实验报告。
在预览窗口的菜单栏中可以对实验报告进行打印。
数据处理
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