Лабораторные работы по физике / mol / Лаб.раб. № 128

Содержание

1. Цель работы……………………………………………………………4

2. Теоретическая часть…………………………………………………...4

3. Экспериментальная установка………………………………………..6

4. Требования по технике безопасности………………………………..7

5. Порядок выполнения работы…………………………………………7

6. Требования к отчету…………………………………………………...8

7. Контрольные вопросы…………………………………………………8

Список литературы…………………………………………………...9

Лабораторная работа № 128

Определение изменения энтропии твердого тела

при его нагревании и плавлении

1. Цель работы

Определение изменения энтропии твердого тела при его нагревании и фазовом переходе первого раза на примере нагревания и плавления олова.

2. Теоретическая часть

В формулировке Клаузиуса энтропия термодинамической системы является функцией ее состояния, дифференциал которой в обратимом процессе равен отношению элементарного количества теплоты δQ, полученного системой, к ее абсолютной температуре Т:

. (2.1)

Обратимым называют такой процесс, при котором система может быть возвращена в исходное состояние и при этом все окружающие ее тела будут в том же состоянии, что и в первоначальном. Процессы, не удовлетворяющие этому условию, называются необратимыми.

Второй закон термодинамики утверждает, что энтропия изолированной системы не может убывать при любых происходящих в ней процессах. В случае обратимых процессов она остается неизменной, а в случае необратимых она увеличивается. Энтропия системы является количественной мерой ее разупорядоченности. Наибольшее значение энтропии соответствует наибольшей степени беспорядка системы и такое состояние системы, предоставленной самой себе является наиболее вероятным. Больцман показал, что в соответствии с определением Клаузиуса (2.1) энтропия системы в данном состоянии может быть представлена как

, (2.2)

где k – постоянная Больцмана, а W – термодинамическая вероятность (или статистический вес) системы, равная числу микросостояний, которыми может быть реализовано данное макросостояние системы.

Изменение энтропии твердого тела при его нагревании и плавлении можно определить, используя зависимость температуры тела Т от времени t в процессе его нагревания, которая при постоянной мощности нагрева имеет характерный вид ломаной линии (рис. 2.1). Участок I графика соответствует нагреванию тела от начальной температуры Т₀ до температуры плавления Т_п, после достижения которой тело начинает плавиться (участок II). Процесс плавления относится к фазовым переходам первого рода. Такими являются фазовые превращения вещества, сопровождающиеся поглощением или выделением некоторого количества теплоты и изменением удельного объема вещества. При неизменном давлении фазовые переходы первого рода происходят при определенной постоянной температуре, т.е. являются изотермическими.

При нагревании тела массой m на dT градусов оно получает количество теплоты

, (2.3)

где с – удельная теплоемкость вещества тела.

При этом энтропия тела изменяется на величину

. (2.4)

Полное изменение энтропии тела при нагревании от начальной температуры Т₀ до температуры плавления Т_п найдется интегрированием (2.4):

. (2.5)

Плавление происходит при постоянной температуре Т_п, поэтому за время плавления энтропия тела изменится на величину

, (2,6)

где Q_п – количество теплоты, полученное телом в процессе плавления. Его можно определить через удельную теплоту плавления λ:

. (2.7)

Таким образом, суммарное приращение энтропии тела при его нагревании от температуры Т₀ и последующим плавлением оказывается равным

. (2.8)

3. Экспериментальная установка

Для определения изменения энтропии при нагревании и плавлении твердого тела предназначена экспериментальная установка ФПТ 1 – 11, общий вид которой показан на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Общий вид экспериментальной установки ФПТ 1 – 11:

1 – стойка; 2 – кронштейн; 3 – нагреватель; 4 – датчик температуры; 5 – тигель с исследуемым материалом; 6 – блок рабочего элемента; 7 – блок приборов

Нагревание тела происходит в тигле с помощью электрического нагревателя 3, источник питания которого размещен в блоке приборов 7, при этом режим нагрева регулируется ручкой «нагрев». Температура тела измеряется цифровым термометром, расположенным в блоке рабочего элемента 6 под кронштейном. Время нагрева измеряется цифровым секундомером, расположенным в блоке приборов. Секундомер приводится в действие при включении питания блоков приборов.

4. Требования по технике безопасности

1. Запрещается класть какие–либо предметы на функциональные блоки установки и оставлять ее включенной в сеть без присмотра.

2. При проведении эксперимента следует непрерывно следить за показаниями приборов.

3. Нельзя допускать нагрева тела до температуры свыше 250° С.

4. После окончания измерений обязательно отключить установку от сети.

5. Порядок выполнения работы

1. Убедиться, что тумблер включения нагревателя на блоке приборов отключен.

2. Включить установку тумблером «Сеть» и определить по термометру начальную температуру тела, в качестве которого используется олово.

3. Установить ручкой «Нагрев» номинальное напряжение на нагревателе в пределах 20 – 25 В.

4. Одновременно включить нагреватель и запустить секундомер, и через каждую минуту измерять температуру олова до тех пор, пока она, достигнув постоянной величины, не повыситься еще на 15 – 20° С, после чего выключить нагреватель, но оставив включенным секундомер, продолжить измерение температуры через каждую минуту. Делать это до тех пор, пока температура олова не станет равной 60 – 70° С, после чего выключить нагреватель, секундомер и всю установку.

5. построить на одном графике зависимость температуры олова от времени при его нагревании и охлаждении. По графику определить температуры, соответствующие участкам, параллельным оси времени, и по их среднему значению установить температуру плавления олова Т_п.

6. По формулам (2.5) – (2.8) рассчитать изменение энтропии за время нагревания и плавления. Для олова с = 230 Дж/кг·К, λ = 58,6 кДж/кг, масса образца указана на установке.

7. Оценить погрешность полученных результатов.

6. Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен обязательно содержать:

1) название, номер и цель работы;

2) блок – схему установки;

3) расчетные формулы;

4) данные измерений температуры олова от времени при нагревании и охлаждении, представленные в виде таблицы и графика зависимости температуры от времени;

5) полученные значения Т₀, Т_п, ΔS₁, ΔS₂ и ΔS;

6) расчет погрешности полученного значения ΔS;

7) выводы по работе.

7. Контрольные вопросы

1. Что такое энтропия? Каков ее статистический смысл?

2. Какие процессы называют обратимыми и каике необратимыми?

3. Сформулируйте второй закон термодинамики.

4. Что такое удельная теплоемкость и удельная теплота плавления?

5. Какие фазовые превращения называют фазовыми переходами первого рода?

6. Чему равно изменение энтропии системы при изотермическом и адиабатическом процессах?

7. Получите формулу, по которой рассчитывается изменение энтропии тела в данной работе.

8. До какой температуры можно нагревать олово при выполнении эксперимента?

Список литературы

1. Савельев И.В. Курс физики Т. I. – М.: Наука, 1989. С. 292–295, 298–300.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989. С. 129–130, 133–138.

9