气体扩散系数测定实验

1、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。 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。血A液体A通过静止气体层的扩散为单相扩散，此时传递速率:N=D/(RTZ) P/PBm(Pai FA2)可写成：N=p /RT D/Z ln(P bJPbi)(a)设S为细管的截面积，p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

2、口的量，即SNdt= p SdZ/N 或:(b)N=p /Ma dZ/dt设备介绍实验主界面如下图所示1ffi温度计WiUE： 295K夏空舶6霍：系茜时靳时|R :30 工j 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，使毛细管中扩散岀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

3、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=B p RT/(2MaP) 1/1 n(PB2/PBi)3p 丙酮密度， 797kg/m3 ；T扩散温度，实验中要求设定为 232K;M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；PBi空气在毛细管内液面处的分压，Pbi =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

4、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：50 度。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

5、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

6、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， 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

7、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，利用已给岀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Z"2-週:计算结果：斜率 B = 4 56E-04cm 2/s扩散系数 D = 1.21I-0S标唯值：扩散系数 DC 323K) = 1 20E-05 1*2/P数据处理保存1加载；1报表1整行删除1