Контрольные вопросы

1. Межмолекулярное взаимодействие в реальных газах.

2. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Физический смысл поправок на давление и обьём.

3. Эффект Джоуля–Томсона. Его качественное объяснение.

4. Экспериментальная установка. Порядок выполнения работы.

5. Обработка результатов измерений, их сравнение с теоретическими данными.

Лабораторная работа 2–7 определение удельной теплоты плавления и изменения энтропии олова

Цель работы: определение удельной теплоты плавления олова и изменения энтропии в процессе его кристаллизации.

Приборы и принадлежности: лабораторная установка, секундомер (часы).

Краткая теория

Известно, что у кристаллических тел как плавление, так и кристаллизация происходят при одной и той же постоянной температуре T_к. При этом для плавления тела массы ему необходимо сообщить количество теплоты:

.

Параметр λ_n называется удельной теплотой плавления.

При обратном процессе кристаллизации тело отдаёт в окружающую среду такое же количество тепла, что равносильно получению им отрицательного количества теплоты:

Энтропией называют функцию состояния системы, дифференциал которой в элементарном обратимом процессе равен отношению бесконечно малого количества теплоты, сообщённой системе, к температуре последней:

. (1)

Энтропия служит мерой вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния. Чем большим количеством способов может быть реализовано данное состояние, тем больше энтропия.

Для нахождения удельной теплоты плавления олова λ_n и изменения энтропии в процессе кристаллизации в данной лабораторной работе используется зависимость температуры олова, находящегося в специальной ампуле, от времени его охлаждения .

Простейшей моделью охлаждения тела является его охлаждение в среде с постоянной температурой T_с, когда внутри тела, в течение всего процесса охлаждения, температура в любой точке тела одинакова в любой момент времени. Такой процесс состоит из непрерывно следующих друг за другом равновесных состояний и, следовательно, является обратимым.

Применяя к процессу кристаллизации олова закон сохранения энергии, можно записать уравнение:

(2)

где количество теплоты, полученное оловом (отданное им) за время его кристаллизации ( – масса олова); количество теплоты, полученное окружающей средой через поверхность ампулы за время кристаллизации  ( коэффициент теплопередачи с поверхности ампулы в окружающую среду; эта величина считается постоянной).

Закон сохранения энергии, записанный для процесса охлаждения твёрдого олова после кристаллизации имеет вид:

34

, (3)

где – количество теплоты, полученное (отданное: ) ампулой с оловом при ее охлаждении за время ( – удельные теплоемкости олова и материала ампулы; – масса олова и ампулы соответственно). Величина – количество теплоты, полученное окружающей средой через поверхность ампулы за время (  температура твердого олова в данный момент времени;  – температура окружающей среды).

Из уравнений (2) и (3) следует:

(4)

Изменение энтропии при кристаллизации олова согласно (1) можно найти по формуле:

(5)

Когда известна зависимость температуры кристаллизующегося и остывающего олова от времени, её типичный вид представлен на рис. 1, для определения удельной теплоты плавления олова и изменения энтропии при его кристаллизации достаточно изме­рить и найти значение про­изводной функции по времени в произвольной точке, соответствующей температуре твердого олова в процессе его охлаждения. Все эти величины можно определить по графику, построенному по экспериментальным точкам (см. рис. 1).

К онструктивно лабораторная установка состоит из двух отдельных модулей − лабораторного (рис. 2 и 3) и приборного.

На передней панели лабораторного модуля расположены: крепёжный винт 1, табличка с названием работы, гнёзда 2 для подключения милливольтметра приборного модуля, устройство подъема 3 ампулы с оловом 5 из электрической печи 6, тумблер включения электропитания печи 7, сигнальная лампа включения электропитания 8 и сетевой шнур.

Ампула 5 с оловом (рис. 3) нагревается в электрической печи 6, питающейся переменным током. Для определения температуры олова внутри ампулы находится металлическая трубка-чехол 9 с дифференциальной хромель-копелевой термопарой 10, горячий спай которой находится в ампуле, а холодный − на воздухе. Концы термопары через гнёзда и медные провода соединяются с милливольтметром приборного модуля, измеряющим термоЭДС.