2. Экспериментальная часть

2.1. В данной работе изучается необратимый процесс теплообмена между телами, имеющими различные температуры в адиабатно изолированной термодинамической системе. Состояние системы, в котором тела имеют разные температуры, является неравновесным. В такой системе осуществляется необратимый процесс переноса теплоты от горячего тела к холодному. Этот процесс заканчивается тогда, когда температуры всех тел системы сравняются и наступит состояние термодинамического равновесия.

В лабораторной работе адиабатно изолированной системой является сосуд с водой, находящейся в теплоизолированной оболочке, в которой размещено нагретое тело. В сосуде с водой находится мешалка, что позволяет быстрее достичь состояния термодинамического равновесия. Поэтому в эксперименте одновременно нагреваются вода, сосуд и мешалка. В состав измерительной установки входят (рис.1)

1) калориметрический стакан К массой m_к с удельной теплоемкостью материала C_к и начальной температурой t₀,

2) вода массой m_в с удельной теплоемкостью C_в и начальной температурой t₀,

3) нагреваемое тело 1, массой m_н с удельной теплоемкостью C_н и начальной температурой t_н,

4) мешалка М массой m_м удельной теплоемкостью C_м и начальной температурой t₀,

5) термометр Т.

Рис. 1

Оболочка О калориметра с теплоизолятором уменьшает теплообмен измерительной установки с внешней средой.

Исследуемое тело массой m_н нагревают до температуры t_н и опускают в калориметрический стакан с водой. В результате теплообмена нагретое тело отдает часть тепла холодным телам (воде, стакану, мешалке). После окончания теплообмена система становится равновесной при температуре t^*, причем выполняется следующее соотношение t_н  t^*  t₀.

Согласно закону сохранения энергии количество теплоты, отданное нагретым телом, равно количеству теплоты, получаемой холодными телами. Тогда можно записать уравнения теплового баланса

(7)

При этом изменение энтропии нагретого тела определяется уравнением

а изменение энтропии воды и стакана соответственно:

Общее изменение энтропии системы после теплообмена равно

(8)

где T_н = 273 + t_н, T₀ = 273 + t₀, T^* = 273 + t^*, а t_н, t₀, t^* – температуры по шкале Цельсия.

2.2. Определение равновесного значения температуры

Если теплоизоляция является адиабатически идеальной, после подъема температуры в сосуде до значения t^* температура системы будет сохраняться постоянной во времени (см. рис.2-3, пунктирные линии).

Рис. 2	Рис. 3

Если система не полностью адиабатна, то осуществляется теплообмен с окружающей средой. В том случае, когда температура окружающей среды t_cp ниже, чем равновесная температура системы t^*, температура системы достигает максимального значения, а затем начинает медленно спадать (сплошная кривая, рис.2). В случае, если температура окружающей среды t_cp выше, чем равновесная температура системы t^* (t_cp > t^*), то по достижении равновесия температура продолжает расти, но значительно медленнее (сплошная кривая, рис.3). Поэтому для определения равновесной температуры системы t^* строят график изменения температуры от времени t = f () и фиксируют на нем t^*, как максимальную температуру, или температуру, соответствующую точке излома зависимости t = f ().