扩散系数测定实验

扩散系数测定实验 3.7 扩散系数的测定 1. 实验目的 ? 了解依据理论设计实验装置的思想。 ? 掌握纯物质气体扩散系数的测定方法。 2. 实验原理 根据费克定律，气体中一个组分通过另外一个停滞组分的稳态分子扩散(单项扩散)扩散通量计算式为: (3-33) 式中: — A组分的扩散通量， — 扩散系数， 、 — A组分在1、2两点的分压， — 系统总压， — 惰性组分平均分压，， — 1、2两点间距离， — 绝对温度， — 通用气体常数、 依据该式，可设计如实验装置示意图所示温克尔曼法(Winkel man’s Method)测定扩散系数的实验装置。装置中采用恒温水浴的循环水维持恒定的扩散温度，在竖直扩散管底部加入适量挥发性扩散物质，利用风机使空气通过横管快速流过，以维持十字交叉口处扩散物质的分压为零。由于竖管中气体不受水平气流影响，扩散物质从液面挥发后通过竖管下部的静止空气扩散至交叉口被气流带走。由于液面处于平衡状态，扩散物在液面的分压为该温度下的饱和蒸汽压。在上述条件下，扩散物质的瞬时扩散通量可表示为: (3-34) 式中: — 组分A的平衡分压， (3-35) 于是 (3-36) 随扩散进行，液面下降导致扩散距离逐渐增加，液面下降的速率与竖直管中扩散物的传递速率存在如下关系: (3-37) 式中: — 扩散物的液相密度， — 扩散物的摩尔质量， 合并两式并分离变量可以得到: (3-38) 对上式积分: (3-39) 得到 (3-40) 化简得到: (3-41) 依据上式，利用实验测定数据将对在直角坐标中进行标绘，得到一条直线，该直线的斜率为: (3-42) 依据斜率的数值即可计算出扩散系数。 3. 实验 测定确定温度下四氯化碳在空气中的扩散系数。 4. 实验装置与流程 (1) 实验装置与流程图 (2) 流程简介 参照图3-8，循环水泵2将恒温水打入扩散室外的夹套后回流至水槽实现循环。空气由 风机6送入扩散管上方通过水平管后放空。空气压力由U形差压计5测量;扩散温度与循 环水温可分别由T、T测量;空气流量与循环水流量分别由相应转子流量计测量。 12 5. 实验方法及步骤 ? 向恒温水槽加水至液位二分之一处，启动自动控温及显示仪表后开始加热;调节 水温至设定值(建议水温设定为50?);注意加热时可调节加热电位器至50%量程 处，待接近设定温度后调节至0。 7 .5?利用针管将被测扩散物加入扩散管，建议液位高度为左右;观察扩散管温度， 可通过改变水浴温度进行调节，待温度达到测定温度并稳定后启动风机，利用出口 5~610阀调节流量至，待扩散管温度稳定在设定温度范围内分钟左 右即可开始测量。启动计时并纪录初始液位刻度，随后分别记录不同时刻液位刻度， 至实验结束。 ? 测定完毕，调节加热电流至零，关掉仪表、水泵及风机。 6. 实验 ? 使用实验装置测定扩散系数的被测物质须是常温下呈液态的纯物质，测定 压力为常压，测定温度范围为常温至接近水温。 ? 恒温水浴水温控制的仪表调节方法为:按 键进入设置状态，按 、 键改变数值，按 键改变修改位置，再按 键完成设定并退出。 ? 本装置采用E型热电偶测温并进行温度控制，控温前需进行自整定，具 体方法为:按住 键两秒后待显示出参数后在放开，再按 键调到dF参数， 设定控温范围，例如则dF=0.5。再按 键调到Ctrl参数，设定为2，接着 将Sn参数设定为4即可。 7. 思考题 ? 实验中若改变扩散温度，扩散系数的数值应如何变化, ? 若被测物质中混入了其他杂质，是否会影响实验测定，为什么,