Atliko :…….. …………………………………… Tikrino :………………..………………………
Laboratorinis darbas Nr 1DIFUZIJOS DIRVOŽEMYJE EFEKTINIO SKERSPJŪVIO MATAVIMAS ANALIZINĖMIS SVARSTYKLĖMISDarbo tikslas – susipažinti su difuzijos procesu ir jo dėsningumais bei išmatuoti dujų difuzijos dirvožemyje efektinį skerspjuvį analizinėmis svarstyklėmis.Teorinė dalis.Chaotiškai judėdamos, molekulės perneša iš vienos erdvės dalies į kitą masę, energiją ir judesio kiekį. Šie reiškiniai bendrai vadinami pernešimo reiškiniais. Prie šių reiškinių priskiriami: difuzija (pemešama masė), šilumos laidumas (pernešama vidinė energija) ir vidinė trintis arba klampa (pernešamas judesio kiekis).Difuzija – tai savaiminis vienos medžiagos molekulių, jonų ir kitų dalelių isiskverbimas į kitą medžiaga, Dalelės (molekulės) gali difunduoti toje pačioje medžiagoje (savoji difuzija) arba susiliečiančiose skirtingose medžiagose (abipuse difuzija). Difuziją sukelia dalelių koncentracijos, temperatūros, slėgio, elektrinio lauko skirtumai įvairiose medžiagos vietose. Sparčiausiai difuzija vyksta dujose, lėčiau – skysčiuose, lėčiausiai – kietuose kūnuose. Dujose difuzija tuo spartesnė, kuo didesnis molekulių vidutinis laisvasis kelias. Vykstant difuzijai skysčiuose, molekulės peršoka iš vienos laikinos pusiausvyros padėties į kitą (šuolis neviršija tarpmolekulinio atstumo). Kietuose kūnuose atomai peršoka į tuščius kristalinės gardelės mazgus, juda tarp jų arba pasikeičia vietomis su gretimais atomais.Difuzija yra pagrindinis dujų apykaitos būdas dirvožemyje. Augalų šaknys ir mikroorganizmai sunaudoja dirvožemyje esančio oro deguonį, todėl jo koncentracija dirvožemyje mažeja. Dėl to deguonis nuolat difunduoja iš atmosferos į dirvožemį. Anglies dioksidas (CO2) ir kitos dujos , kurios išsiskiria dirvožemyje biologiniu procesu metu, gražinamos į atmosferą. Stacionarų difuzijos procesą (kuriame dujų koncentracija nepriklauso nuo laiko) nusako I-oji Fiko lygtis: (1) .čia dm – dujų masė, pernešama per vienodos koncentracijos (izokoncentracinio) paviršiaus ploto elementą dS per laiko tarpą dt; – koncentracijos gradientas, skaitine verte lygus koncentracijos – pokyčiui ilgio vienete izokoncentracinio paviršiaus normalės kryptimi.
D yra difuzijos koeficientas, kuris skaitine verte lygus medžiagos masei, pernešamai per izokoncentracnio paviršiaus ploto vienetą per sekundę, kai koncentracijos gradiento modulis lygus vienam. Padaliję (1) lygties abi puses iš dS • dt ir kairėje pusėje gautą santykį pazymėję raide (2) I-mą. Fiko lygtį užrašome taip: (3)dydis I vadinamas difuzijos srauto intensyvumu. Jis nusako medžiagos masę, kuri pernešama difuzijos būui per izokoncentracinio paviršiaus ploto vienetq per sekundę._ Dešinėje lygybės pusėje esantis minuso ženklas rodo, kad dujų masė pernešama koncentracijos mažėjimo kryptimi. Dujų, kurių molekulių efektiniai skerspjūviai vienodi, difuzijos koeficientas (4) )čia l – dujų molekulių laisvasis vidutinis lėkis, v – jų chaotiškojo judėjimo vidutinis greitis. Taigi difuzijos koeficientas priklauso nuo dujų temperatūros ir slėgio: slėgiui mažėjant, didėja laisvasis vidutinis lėkis l ir, temperatūrai kylant, didėja vidutinis greitis v . Bet kurių dujų difuzijos koeficientas Di, esant temperatūrai T ir slėgiui p, išreiškiamas tokia empirine lygybe: (5) čia Do – difuzijos koeficientas esant normalioms salygoms, t.y. To = 273K ir po = 1,013 • 105 Pa. Anglies dioksido dujoms n = 1,7 ir Do = 1,42-lO-5 m2/s.Aparatūra ir darbo metodika. Prietaisas anglies dioksido difuzijos koeficientui dirvožemyje matuoti sudarytas iš dujų kameros M ir cilindro N su dirvožemiu, per kurį vyksta difuzija (3 pav.).
EE 3 pav.
T M
N
Vykstant difuzijai, dujų koncentracija kameroje eksponentiškai mažėja ir bet kuriuo laiko momentu t koncentracija C lygi: (9)čia e = 2,71 – natūrinio logaritmo pagrindas, k – prietaiso konstanta (užrašyta ant prietaiso), Co -dujų koncentracija pradiniu laiko momentu t = 0.Išlogaritmavę (9) lygtį, randame difuzijos koeficientą; (10)
Vadinasi, dujų difuzijos dirvožemyje koeficientui rasti pakanka žinoti dujų koncentracijos santykį Co/C’w ir difuzijos proceso trukmė t.Dujų koncentracijų santykiui nustatyti taikome Archimedo dėsnį: panardinta, į dujas ar skystį kūną veikia aukštyn nukreipta jėga, kuri lygi to kūno išstumtų dujų svoriui:
(11)čia p – dujų tankis, V-jų. tūris, g = 9,8 m/s2 – laisvojo kritimo pagreitis. Kai kūno tūris pastovus, tai tiek Archimedo jėga, tiek dujų koncentracija proporcinga jų tankiui. Tai reiškia, kad Archimedo jėga proporcinga dujų koncentracijai. Kameroje M yra stikline pūsle P, pakabinta ant svarstyklių peties, o svarstyklės yra pusiausvyroje.Į kamerą įleidus anglies dioksido dujų, ši jėga padidės dydžiu F. Archimedo jėgos padidėjimas proporcingas įleistų dujų koncentracijai. Jei, esant dujų koncentracijai C1, jėga padidėja dydžiu , o kai koncentracija C2 – dydžiu , tai (12) Vadinasi, (10) formuleje koncentracijų santykį galima pakeisti atitinkamų jėgų pokycių santykiu. Todel (13)Difuzija dirvožemyje vyksta ne visame tūryje, bet tiktai jo porose. Difuzijos būdu dujų masė pernešama tiktai per dalį izokoncentracinio paviršiaus, kurią užima poros. Ta paviršiaus ploto dalis, per kuriq vyksta difuzija, apibūdinama dydžiu q, vadinamu difuzijos efektiniu skerspjūviu.. Jis randamas žinant dujų difuzijos koeficientą dirvožemyje D ir difuzijos koeficientą ore D1: (14)Į šią lygybę įrašę (13)išraišką,, gauname išraišką efektiniam skerspjūviui skaičiuoti: (15)Darbo eiga:
Įjunkite analizines svarstykles į elektros tinklą. Iš lėto, sukdami rankenėlę A prieš laikrodžio rodyklę, išjunkite svarstyklių stabdį (3 pav.). Palaukite kol skalės vaizdas sustos ekranelyje B sukdami gretimą rankenelę D , sutapdinkite skalės nulinę padalą su ekranelio siūleliu. Sukdami rankenelę A pagal laikrodžio rodyklę, sustabdykite svarstykles.Įleiskite anglies dioksido duju į kamerą M (dujas ileidžia laborantas). Po poros minučių atleiskite svarstyklių stabdį ir sukdami rankenelę E, didinkite svarstyklių apkrovimą po 10 mg ir pasiekite tokią svarstyklių pusiausvyrą kad ekranėlio siūlelis būtų skalėje. Sudėkite dešimtis, vienetus ir miligramų dalis (dešimtis rodo rankenėlė E, vienetus ir miligramo dalis – ekranelio B rodyklė). Gautą skaitinę vertę išreikškite kilogramais ir padauginkite iš laisvojo kritimo pagreičio g = 9,81 ml s2. Gauta vertė lygi jėgos pokyčiui niutonais. Duomenis įrašykite į lentelę.
Matuokite kas 10 minučiu.Difuzijos laikas , min
Mg N
Dujų temperatūra T=(t0C+ 273)K Aplinkos slegis p,Pa D1 ,m2/s D ,m2/s q vid.,0 6.88 0.67*10-3 284 99200 1.5*10-5 0.65*10-5 0.4410 61.9 0.61*10-3 20 55.7 0.55*10-3 30 51.1 0.50*10-3 40 46.4 0.46*10-3 50 44.4 0.44*10-3
Pagal (5) formulę apskaičiuokite anglies dioksido difuzijos koeficiento D1 vertes, esant dujų temperatūrai T ir atmosferos slėgiui p. Dujų temperatūrą rodo termometras, pakabintas šalia prietaiso,o atmosferos slėgį – barometras, gulintis ant stalo.Pagal (15) formulę apskaičiuokite difuzijos efektinį skerspjūvį q (t vertes rašykite sekundėmis).Pagal (13) formulę apskaičiuokite CO2 dujų difuzijos koeficientą.
Skaiciavimai:
Duota: n=1.7 k=21.4 m-2 DO=1.42*10-5 m2/s Po=1.013*105 Pa
N=6.88*10-6*9.81=0.67*10-3N=61.9*10-6*9.81=0.61*10-3………….
ISVADOS………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………