Устройство для изучения зависимости температуры кипения жидкости от внешнего давления

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЗАВИСИМОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ КИПЕНИЯ ЖИДКОСТИ ОТ ВНЕШНЕГО ДАВЛЕНИЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Филипп Андрей Романович Жолнеревич Иван Иосифович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Устройство для изучения зависимости температуры кипения жидкости от внешнего давления, содержащее вакуумный насос, емкость с исследуемой жидкостью, нагреватель и измерительно-регулирующее устройство, отличающееся тем, что в качестве вакуумного насоса используется водоструйный насос, напор воды на входе которого создается центробежным водяным насосом, входящим в состав установки, в которой вода,содержащаяся в отдельной емкости, циркулирует по замкнутому циклу. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для подогрева емкости с исследуемой жидкостью используется бесконтактный инфракрасный нагреватель, работой которого по заданной программе управляет электронный измеритель-регулятор.(56) 1. Кравцов Ю.А., Мансуров А.Н., Птицына Н.Г., Сперантов В.В., Стручков В.В. Лабораторный практикум по общей физике. - Москва, 1985. - 351 с. 2. Авдусь З.И., Архангельский М.М., Кошкин Н.И., Шебалин О.Д., Яковлев В.Ф. Практикум по общей физике. - Москва, 1971. - 311 с. 3. Гольдин Л.Л., Игошин Ф.Ф., Козел С.М., Можаев В.В., Ногинова Л.В., Самарский Ю.А., Францессон А.В. Лабораторные занятия по физике. - Москва, 1983. - 704 с. 852 Предлагаемое техническое решение относится к ряду лабораторных установок для физического практикума и может использоваться в учебных заведениях при проведении лабораторных занятий по курсу молекулярной физики. Известны устройства для изучения зависимости температуры кипения воды от внешнего давления 1, 2, использующие составляющие элементы того же функционального назначения, что и предлагаемое устройство вакуумный насос, емкость с исследуемой жидкостью,нагреватель и регистрирующее устройство. Основными недостатками таких устройств, применяющих стандартные вакуумные насосы с масляным уплотнением, является высокая стоимость, большие габариты и необходимость использования сложных осушительных фильтров(или конденсаторов), поскольку в процессе откачки водяные пары быстро ухудшают рабочие свойства вакуумного масла и вызывают коррозию металлических поверхностей вакуумной камеры насоса. Кроме того, важнейшим недостатком таких устройств является наличие в выхлопе вакуумного насоса паров масла, небезвредных для здоровья учащихся. Применение в качестве нагревательных элементов герметичных электрических сопротивлений, помещаемых в жидкость или соприкасающихся с емкостью с жидкостью, создает опасность поражения электрическим током и возникновения короткого замыкания в случае разгерметизации элементов или емкости. В других устройствах для изучения зависимости температуры кипения жидкости от внешнего давления 3 измерения производятся в отпаянном приборе, однако в этом случае эксперимент лишен наглядности, поскольку за процессом кипения невозможно вести наблюдения. Задачей предлагаемого устройства является создание экологически безопасной, дешевой, компактной лабораторной установки при значительном увеличении долговечности оборудования и повышении наглядности эксперимента. Отпадает необходимость в использовании дефицитного вакуумного масла. Снижается электро- и пожароопасность. Задача решается тем, что в качестве вакуумного насоса используется водоструйный стеклянный насос, напор воды на входе которого создается центробежным водяным насосом,входящим в состав установки и расположенным на общем металлическом основании. Внутри основания находится емкость, заполненная дистиллированной водой. Вода в установке циркулирует по замкнутому циклу, что делает устройство автономным, поскольку отпадает необходимость в наличии водоподводящей и сливной магистралей. Работа водоструйного насоса не сопровождается выбросом в атмосферу паров масла, что улучшает экологические условия в учебной лаборатории. Компактность насоса и его стеклянный прозрачный корпус позволяют повысить наглядность обучения. Нагревание жидкости в кювете бесконтактным методом с помощью инфракрасного нагревателя повышает электро- и пожаробезопасность. На фигуре представлена блок-схема устройства для изучения зависимости температуры кипения жидкости от внешнего давления. Устройство для изучения зависимости температуры кипения жидкости от внешнего давления содержит водяной центробежный насос 1, водоструйный вакуумный насос 2, вакуумный вентиль 3, стеклянную кювету 4, наполовину заполненную жидкостью. В кювету вмонтированы датчики температуры 5 и давления 6, соединенные с измерительно-регулирующим устройством 7. Подогрев жидкости осуществляется бесконтактным методом с помощью инфракрасного нагревателя 8, работой которого управляет измерительно-регулирующее устройство. Вода, циркулирующая в установке по замкнутому циклу, содержится в емкости 9. Новыми элементами устройства, по сравнению с прототипом, являются элементы 1, 2,8 и 9, а новыми связями - связь между измерительно-регулирующим устройством 7 и инфракрасным нагревателем 8. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Вода заливается в емкость до заполнения рабочего объема центробежного насоса. Исследуемая жидкость - в стеклянную кювету. Открывают вакуумный вентиль, тем самым соединяют водоструйный насос и откачиваемый объем. Производят откачку воздуха из пространства над исследуемой жидкостью. Закрывают вакуумный вентиль и с помощью инфракрасного на 2 852 гревателя производят нагрев жидкости в кювете до появления признаков устойчивого кипения. В целях облегчения работы с установкой измерительно-регулирующее устройство отрегулировано таким образом, что обеспечивается предварительный подогрев жидкости и ее закипание на начальном этапе эксперимента без вмешательства учащегося. Снимают показания датчиков температуры и давления. Таким образом, исследуется зависимость температуры кипения жидкости от внешнего давления и определяется величина скрытой удельной теплоты парообразования жидкости, что и является задачей лабораторной работы. Предлагаемое устройство, существенно отличающееся от известных наличием новых элементов, может работать в новых эффективных режимах. 1) При исследовании кипения неагрессивных жидкостей (например, воды) устройство может эксплуатироваться в замкнутых помещениях без системы принудительной вентиляции и водоподводящей магистрали. При этом не происходит повышения концентрации вредных веществ в атмосфере. Этот режим реализуется благодаря тому, что в качестве вакуумного насоса используется водоструйный насос, рабочим веществом в котором служит вода. Следовательно, отсутствуют выбросы масляных паров. 2) При исследовании процесса кипения в агрессивных жидкостях. Этот режим реализуется благодаря тому, что материалом, из которого сделан вакуумный водоструйный насос,является химически стойкое стекло. Откачиваемые пары агрессивной жидкости захватываются рабочей жидкостью (водой) в насосе и далее поступают по соединительным шлангам,также сделанным из химически стойкого материала, в емкость 9, в крышку которой ввернут штуцер, на который одет шланг, соединенный с системой вентиляции. Захваченные пары агрессивной жидкости естественным образом высвобождаются и покидают емкость через отверстие, штуцер, шланг и далее удаляются через систему вентиляции. 3) При исследовании состава водного раствора, для определения присутствия в нем легко кипящих жидкостей, таких как эфир, спирт, ацетон и т.д. Этот режим реализуется благодаря тому, что рабочим веществом в водоструйном насосе является вода. Следовательно, предельное остаточное давление, обеспечиваемое таким насосом, близко к давлению насыщенных паров воды при комнатной температуре (и чуть-чуть его превышает, поскольку вода в насосе в процессе работы незначительно нагревается). Соответственно, если в кювете находится чистая вода, ее закипания при комнатной температуре не происходит. Напротив, если вода смешана с какими-нибудь легко кипящими жидкостями,закипание происходит. Итак, за счет введения вышеназванных элементов и связей предлагаемое устройство выгодно отличается от прототипа целым рядом полезных свойств. В свете предполагаемого применения его в рамках учебного процесса в учебном заведении особо следует отметить экологичность устройства, что проявляется в 1) отсутствии вредных выбросов паров масла в атмосферу 2) снижении электро- и пожароопасности установки, поскольку применяется прогрессивная схема бесконтактного подогрева кюветы с исследуемой жидкостью инфракрасными лучами. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает существенное улучшение экологических условий обучения при удешевлении лабораторной установки, увеличении ее долговечности, повышении наглядности эксперимента, что позволяет использовать устройство при проведении лабораторных занятий по курсу молекулярной физики. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3