Готовые отчеты по лабораторным работам / Fiz-1-22a

Лабораторная работа по физике №1-22.

Изучение фазовых превращений первого рода на примере

нагревания и плавления олова.

Цель работы: изучение метода , позволяющего экспериментально определить изменение энтропии

и энергию связи атомов олова.

Теоретическая часть работы.

Равновесное состояние системы - состояние, при котором все параметр системы имеют определенные значения, остающиеся при неизменных внешних условиях постоянными сколь угодно долго.

Равновесный процесс - процесс перехода термодинамической системы из одного равновесного состояния в другое, настолько медленный, что все промежуточные состояния можно рассматривать как равновесные.

Обратимый процесс - процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое, допускающий возвращение ее в первоначальное состояние через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом процессе, но проходимых в обратном порядке.

Всякий равновесный процесс является обратимым.

Качественной особенностью любого состояния термодинамической системы и любого термодинамического процесса является хаотичность движения частиц, составляющих систему. Хаотичность приводит к тому, что система стремится перейти в такое состояние, где больше беспорядок среди молекул. Увеличение молекулярного беспорядка - главная особенность любого самопроизвольно протекающего необратимого процесса.

Термодинамическая вероятность W - число микроскопических способов, которыми может быть осуществлено тепловое состояние макроскопической физической системы, стремящейся переходить в другие состояния. Термодинамическая вероятность является количественной характеристикой теплового состояния макроскопической физической системы.

Энтропия системы: где к - постоянная Больцмана (1,38 × 10^-23 Дж/К).

Т.к. энтропия - величина аддитивная, то можно записать

Количественная формулировка второго закона термодинамики - при всех происходящих в замкнутой системе необратимых процессах энтропия этой системы возрастает; максимальное возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии, т.е. Идеальному обратимому процессу соответствует постоянство энтропии замкнутой системы - .

Связь между приращением энтропии dS системы при бесконечно малом обратимом сообщении ей теплоты dQ : , где Т - температура системы.

Разность энтропии системы в 2-х произвольных состояниях 1 и 2:

Фаза (в термодинамике) - равновесное состояние вещества, отличающееся по физическим свойствам от других возможных равновесных состояний.

Фазовый переход - переход из одной фазы в другую. Фазовые переходы бывают двух родов:

1). Скачком изменяются термодинамические характеристики вещества : плотность, концентрация компонентов; в единице массы выделяется или поглощается определенное количество теплоты - теплоты фазового перехода. Примеры: плавление, кристаллизация, испарение, сублимация и т.д.

2). Непрерывный переход (т.е. состояние тела изменяется непрерывно), не сопровождается выделением или поглощением тепла.

Плавление - переход вещества из кристаллического (твердого) состояния в жидкое с поглощением тепла (фазовый переход первого рода) . Главные характеристики - температура плавления Т_пл и теплота плавления Q_пл . Плавление протекает при постоянной температуре, несмотря на приток теплоты. Плавление сопровождается изменением энтропии, ростом теплоемкости и электрического сопротивления; падает сопротивление сдвигу, уменьшается скорость распространения звука и т.д.

Координационное число - число ближайших к данному атому соседних атомов в кристаллической решетке. Для олова это число равно 12.

Вывод рабочих формул.

1). Количество теплоты, необходимое для плавления куска олова:

- количество теплоты, которое в среднем необходимо затратить на один атом.

Если масса одного атома Sn равна m₀, то полное количество тепла для всего куска олова:

где m - молярная масса олова.

2). Удельная теплота плавления: откуда получаем

3). Изменение энтропии олова на участке 1-3 ( 1-2 -разогрев олова, 2-3 -плавление олова):

на участке (1-2) а на участке (2-3)

Т.к. , то

Полагаем, что для процесса разогрева и плавления выполнены условия обратимости.

Экспериментальная часть работы.

Таблица №1.

t, c	T , oC	t, c	T , oC	t, c	T , oC
0	20	1120	232	2200	229
60	23	1140	232	2220	228
120	28	1160	232	2240	227
180	34	1180	232	2260	225
240	50	1200	232	2280	224
300	60	1220	234	2300	224
360	80	1240	235	2320	223
420	97	1260	236	2340	221
480	115	1280	237	2360	220
540	134	1300	239	2380	219
600	151	1320	250	2400	218
660	170	1340	264	2420	217
720	187	1400	281	2440	215
750	189	1460	290	2460	213
780	194	1520	295	2480	211
810	199	1580	294	2500	209
840	207	1640	289	2530	207
860	208	1700	284	2560	202
880	210	1760	276	2620	195
900	214	1820	269	2680	188
920	216	1880	260	2740	184
940	218	1940	252	2800	174
960	220	2000	242	2860	156
980	221	2060	237	2920	150
1000	222	2080	235	2980	141
1020	224	2100	232	3040	136
1040	226	2120	232	3100	129
1060	227	2140	232	3160	123
1080	228	2160	232	3220	119
1100	229	2180	232	3280	114

Начало плавления - через 1120 с от начала отсчета (Т = 232 С),

Конец плавления - через 1220 с от начала отсчета

Начало кристаллизации - через 2110 с от начала отсчета (Т = 232 С),

Конец кристаллизации - через 2180 с от начала отсчета.

Время выключения нагревателя - 1400 с, Т = 281 К.

Комнатная температура Т_К = 20 С ( 293 К).

Расчеты.

1. T_ПЛ = Т_КР = 232 ⁰С = 505 К

С=230 Дж/К * кг

l = 58600 Дж/кг

m = 0,047 кг.

Т_К = 293К

2.Пусть e₀ -энергия связи атомов Sn, E- средняя кинетическая энергия теплового движения атомов Sn:

- при комнатной температуре;

- при температуре плавления Sn.

Т.е. и .

Вывод: в ходе работы изучили метод, позволяющий экспериментально определить изменение энтропии

и энергию связи атомов олова. Процесс охлаждения олова является более равновесным, чем процесс нагревания и плавления олова, т.к. охлаждение - более длительный по времени процесс, а, по определению, равновесный процесс - бесконечно долгий процесс. Это видно по графику зависимости температуры от времени: участок кривой, соответствующий охлаждению олова, более пологий по отношению к участку кривой, соответствующему нагреванию олова.

Была выяснена зависимость средней кинетической энергии теплового движения атомов Sn от температуры. При нормальной температуре она много меньше энергии связи атомов, поэтому атомы олова совершают колебания с относительно небольшой амплитудой; при температуре плавления увеличивается средняя амплитуда колебаний атомов, происходит интенсивный разрыв связей с последующим воссоединением их в другой комбинации, т.е. олово плавится и превращается в жидкость. При охлаждении и кристаллизации олова процесс происходит в обратном порядке, только более продолжительно по времени, т.к. охлаждение происходит без внешнего воздействия.