实验设计：xx分子扩散系数测定

实验设计：丙酮分子扩散系数测定

一、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：

N A =D/(RTZ) ·P/P

Bm

·(P

A1

－P

A2

) 可写成:

N A =ρ/RT·D/Z·ln(P

B2

/P

B1

) (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

SN

A dt=ρSdZ/N

A

或:

N A =ρ/M

A

·dZ/dt (b)

二、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/(2M A P) ·1/ln(P B2/P B1)

ρ—丙酮密度，797kg/m3；

T—扩散温度，实验中要求设定为232K；

—丙酮分子量，58.05；

M

A

P—大气压，100kPa；

P B2—空气在毛细管出口处的分压，可视为P；

P B1—空气在毛细管内液面处的分压，P B1=P-P A*，P A*为丙酮的饱和蒸气压，232K时P A*=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。

三、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。