Висновок:

1. Яку фізичну величину Ви визначали? Описати, яким чином Ви це робили.

2. Дати аналіз отриманим даним. Для чого Ви розраховували похибки?

Контрольні запитання

1. Дати визначення: теплоємкість, питома теплоємкість, молярна теплоємкість, кількість теплоти, температура, ступень свободи.

2. Охарактеризувати рівняння теплового балансу.

3. Записати рівняння Майєра. Що таке С_р, С_v?

Лабораторна робота № 21

Спостереження процесів плавлення та кристалізації гіпосульфіту

Мета роботи: отримати залежність температури від часу

Завдання:

1. Побудувати залежність температури від часу для нагрівання, плавлення, кристалізації та охолодження гіпосульфіта.

2. Визначити питому теплоємкість твердого та рідкого гіпосульфіта, питому теплоту плавлення (кристалізації) та температури плавлення, кипіння та кристалізації.

Обладнання та інструменти: електроплитка (220 В), посудина з водою, колба з гіпосульфітом, термометр, годинник.

Вказівки на теоретичний матеріал:

1. Тепловий баланс.

2. Нагрівання, плавлення, кристалізація.

Теоретичні положення:

Тверде́ ті́ло — агрегатний стан речовини, що характеризується стабільністю форми на відміну від інших агрегатних станів рідини та газу.

Атоми твердих тіл більшість часу проводять в околі певних рівноважних положень, здійснюючи тільки незначні теплові коливання.

За типом упорядкування атомів розрізняють кристалічні і аморфні тверді тіла. Кристали характеризуються наявністю просторової періодичності в розміщенні рівноважних положень коливань атомів, тобто наявністю кристалічної гратки. Атоми аморфних твердих тіл коливаються поблизу невпорядковано розміщених точок.

Рисунок 1. Схематичне зображення атомної структури невпорядкованого аморфного (зліва) та впорядкованого кристалічного (справа) твердого тіла.

За типом зв’язку між атомами розрізняють тверді тіла з ковалентним, іонним, металічним зв’язками тощо.

Рідина́ — один з основних агрегатних станів речовини поряд із газом та твердим тілом. Від газу рідина відрізняється тим, що зберігає свій об'єм, а від твердого тіла тим, що не зберігає форму.

Пла́влення (топлення) — перехід тіла з твердого стану в рідкий. Плавлення відбувається з поглинанням теплоти і є фазовим переходом першого роду.

Пито́ма теплота́ пла́влення — кількість теплоти, яку необхідно надати одиниці маси речовини в рівноважному ізобарно-ізотермічному процесі, щоб перевести її із твердого кристалічного стану в рідкий при температурі плавлення. Вимірюється в (Дж/кг). Також розрізняють мольну теплоту плавлення, що вимірюється в (Дж/моль).

Теплота Q плавлення тіла масою m визначається формулою:

Q = λm (1)

де λ — питома теплота плавлення.

Фа́зовий перехі́д у фізиці означає таку трансформацію внутрішньої структури речовин, при якій відбувається різкий стрибок певної фізичної характеристики системи, викликаний малою зміною іншої характеристики. Розрізняють фазові переходи першого і другого роду.

При фазових переходах першого роду поглинається або виділяється прихована теплота. Фазові переходи другого роду відбуваються без поглинання чи виділення тепла.

При нормальному тиску, найбільшою температурою плавлення серед металів має вольфрам (3422°C), а серед простих речовин — карбід гафнію HfC (3890°C). Можна вважати, що найнижчу температуру плавлення має гелій: при нормальному тиску він залишається рідким при скільки завгодно низьких температурах.

Багато речовин при нормальному тиску не мають рідкої фази. При нагріванні шляхом сублімації вони відразу переходять у газуватий стан.

При підвищенні температури тіла росте амплітуда теплових коливань його молекул, і вряди-годи виникають дефекти ґраток. Кожний такий дефект вимагає певної кількості енергії, бо він супроводиться розривом деяких міжатомних зв'язків. Стадія народження й накопичення дефектів зветься стадією передтоплення. Крім того, на цій стадії, як правило, виникає квазі-рідкий шар на поверхні тіла. За певної температури концентрація дефектів стає така велика, що призводить до втрати орієнтаційного порядку в зразку.

Кристалізація (рос. кристаллизация, англ. crystallisation, нім. Kristallisation, англ. Crystallization) — процес виділення з розчину надлишку розчиненої речовини у вигляді кристалів або перехід речовини з газоподібного, рідкого (розчину чи розплаву) або твердого (аморфного) станів у кристалічний.

Кристалізація — процес утворення кристалів з пари, розчинів або розплавів та з речовини в іншому кристалічному або аморфному стані. Кристалізація починається при досягненні деяких граничних умов, наприклад, переохолодженні рідини або перенасиченні пари, коли практично миттєво виникає багато дрібних кристаликів — центрів кристалізації. Кристалики ростуть, приєднуючи атоми з рідини або пари. Ріст граней кристалу відбувається пошарово, краї незавершених атомних шарів (сходинки) при рості рухаються вздовж граней. Залежність швидкості росту від умов кристалізації приводить до різноманітності форм росту та структури кристалів (багатогранні, пластинчасті, голчасті, скелетні, дендритні та ін. форми, олівцеві структури і т. д.). В процесі кристалізації також виникають різні дефекти кристалічної ґратки (див. дислокації).

Якщо насичений при високій температурі розчин твердої речовини охолодити, то з нього буде виділятися надлишок розчиненої речовини у вигляді кристалів, а в розчині залишатиметься така її кількість, яка утворює насичений розчин при нижчій температури, такий процес називається кристалізацією.

Процес кристалізації відбувається і при випарюванні розчину. При цьому внаслідок виділення певної кількості води ненасичений спочатку вихідний розчин стає насиченим, а потім і пересиченим, який легко розкладається, і надлишок розчиненої речовини виділяється у вигляді кристалів.

Рисунок 2. Кристалізація води

Від умов кристалізації залежить розмір утворюваних кристалів. Великі кристали утворюються при дуже повільному і спокійному охолодженні насиченого при високій температурі розчину або при дуже повільному і спокійному його випарюванні. При швидкому охолодженні і інтенсивному перемішуванні насиченого розчину або при швидкому його випарюванні виникають дрібні кристали. Чим швидше охолодження й інтенсивніше перемішування розчину, тим дрібніші кристали.

Графік залежності температури T кристалічного тіла від наданої йому (або відібра-ної) кількості теплоти зображено на рис. 3 а. Ділянка АВ графіка відповідає твердому стану речовини і показує, що під час нагрівання (або охолодження) температура твер-дого тіла змінюється. Точка В відповідає температурі плавлення T_п, з досягненням якої під час нагрівання тіло починає плавитися. Ділянка ВС графіка відповідає проце-су плавлення (або тверднення) тіла, під час якого тіло існує частково в рідкому, част-ково в твердому стані. Температура тіла при цьому не змінюється. Уся кількість теп-лоти витрачається тільки на збільшення потенціальної енергії молекул тіла, а їх кіне-тична енергія не змінюється. Тому не змінюється і температура - міра середньої кіне-тичної енергії молекул.

Рисунок 3. Плавлення кристалічних (а) та аморфних (б) тыл

Збільшення потенціальної енергії молекул призводить до руйнування кристалічних ґраток тіла, тобто до зміни агрегатного стану речовини.

Точка С відповідає повному переходу тіла в рідину під час плавлення (або початку тверднення рідини під час її охолодження). Ділянка СД графіка відповідає рідкому стану речовини і показує, що під час нагрівання (або охолодження) температура рідини змінюється.

Спостереження показують, що температура плавлення залежить від тиску. Якщо плавлення речовини супроводжується збільшенням її об'єму (що спостерігається у більшості речовин), то зі збільшенням зовнішнього тиску температура плавлення цієї речовини підвищується. Якщо ж плавлення речовини супроводжується зменшенням його об'єму (наприклад, льоду, чавуну, вісмуту, сурми), то під час підвищення зовнішнього тиску температура плавлення цієї речовини знижується.

Аморфні тіла не мають певної температури плавлення або тверднення. У процесі плавлення (або тверднення) температура аморфних тіл неперервно змінюється (рис. 3 б).

У замкненій системі можливі процеси теплообміну між різними тілами (кристалічними, аморфними, рідкими, газами). У цій системі можуть одночасно відбуватися випаровування, плавлення, згоряння.

Із закону збереження енергії маємо, що під час теплообміну між двома тілами енергія, яку у вигляді теплоти віддає одне тіло, має дорівнювати енергії, що отримує друге тіло.

Розглянемо теплообмін усередині системи, що складається з кількох тіл, які мають спочатку різні температури, наприклад, система з води і шматка льоду. Ця система достатньо ізольована і її внутрішня енергія не змінюється (замкнена система).

Робота в середині системи не виконується. Тоді за першим законом термодинаміки зміна внутрішньої енергії будь-якого тіла системи дорівнює кількості теплоти, відданій або набутій цим тілом до настання теплової рівноваги всередині системи:

ΔU_i = Q_i. (2)

Додавши подібні вирази для всіх тіл довільної замкненої системи і врахувавши, що сумарна внутрішня енергія не змінюється, тобто одержимо таке рівняння:

Q₁ + Q₂ + … + Q_n = 0 (3)

Це - рівняння теплового балансу; Q₁, Q₂, … , Q_n - кількості теплоти, яких набули (Q > 0) або віддали (Q < 0) тіла системи. Рівняння теплового балансу спочатку було знайдено експериментально із спостережень теплообміну між тілами в калориметрі.

Тіосульфат натрія (антихлор, гіпосульфіт, сульфідотріоксосульфат натрію) — Na₂s₂o₃ або Na₂so₃s, сіль натрію і тіосірчаної кислоти

Властивості:

1. Безбарвні моноклінні кристали.

2. Молярна маса 248,17 г/моль.

3. Розчинимо у воді (41,2% при 20 ⁰С, 69,86% при 80 ⁰С).

4. При 48,5 °C плавиться в своїй кристалізаційній воді.

5. Зневоднюється біля 100 ⁰С.

6. При нагріванні до 220 °C розпадається.

Використання:

1. Вживання для видалення слідів хлору після вибілювання тканин

2. Для витягання срібла з руд;

3. Фіксаж у фотографії;

4. Реактив в іодометрії

5. Протиотруту при отруєнні: As, Br, Hg і іншими важкими металами, ціанидами (переводить їх в роданід) і ін.

6. Для дезинфекції кишечника;

7. Для лікування корости (спільно з соляною кислотою);

8. Протизапальний і протиопіковий засіб;

9. Може використовуватися як середовище для визначення молекулярних вагів по пониженню точки замерзання (кріоскопічна константа 4,26°)

10. У харчовій промисловості зареєстрований як харчова добавка E539.

11. Добавки для бетону.