МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ФИЗИКИ

Лабораторная работа №23

Определение изменения энтропии жидкости при испарении

по разделу “Механика молекулярная физика и термодинамика”

КУРСК 1998

Составители: доц Шумаков АИ асс Шевцова СА

УДК 6817872

Методические указания к лабораторной работе № 23 по разделу "Механика молекулярная физмка и термодинамика" / Курск Гос техн у-т Сост доц Шумаков АИ асс Шевцова СА Курск 1987

Излагаются методические рекомендации по выполнению лабораторной работы №23

Предназначена для дистанционного обучения студентов всех специальностей

Ил - Библиогр 3 назв

Рецензент Доц Родионов АА

Компьютерный вариант для дистанционного обучения отредактирован

Доц Зрайченко ВА доц Бурмистровым ВН

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 23

Определение изменения энтропии жидкости при испарении

Приборы и принадлежности: аналитические весы, цилиндрический стаканчик, спирт, секундомер.

Цель работы:

1Изучить строение и процесс испарения жидкости с позиций молекулярной статистической физики и термодинамики

2Определить изменение энтропии в процессе испарения системы молекул

спирта.

Теоретическое обоснование метода

При равновесной передаче малого количества тепла δQ какой-либо системе выполняется соотношение, связывающее это тепло, температуру Т, при которой оно было передано и характерную для данного состояния функцию S называемую энтропией системы

(1)

где dS – изменение энтропии системы.

В термодинамике под энтропией понимают однозначную функцию состояния системы (как и внутренняя энергия). Энтропия не зависит от способа осуществления данного состояния.

Определяется энтропия лишь его термодинамическими параметрами P,V,T и др. с точностью до постоянной, значение которой определяется по третьему началу термодинамики о недостижимости абсолютного нуля температуры. При термодинамических расчетах обычно вычисляют разность (изменение) энтропии при переходе системы из состояния 1 в состояние 2:

; (2)

По величине и знаку ΔS судят о направленности процесса и об интенсивности его самопроизвольного протекания.

В статической физике установлено, что энтропия, соответствующая данному состоянию системы равна произведению постоянной Больцмана К на натуральный логарифм термодинамической вероятности W этого состояния:

(3)

где – термодинамическая вероятность (статический вес), или число микросостояний - способов, которыми может быть получено данное наблюдаемое на опыте макросостояние

k = 138 10^-23 Дж/K – постоянная Больцмана

В отличие от математической вероятности, которая не может быть больше 1, термодинамическая вероятность может быть сколь угодно большим числом.

Таким образом, согласно выражению 3, численное значение энтропии определяется вероятностью данного состояния: чем вероятнее состояние изолированной системы, тем больше ее энтропия. Поскольку в природе реализуются наиболее вероятные макросостояния, то изолированная система стремится в состояние с наибольшей энтропией.

Если такое состояние равновесное, то энтропия уже не меняется, если неравновесное, то она вероятнее всего возрастет. То есть, энтропия характеризует меру приближения системы к равновесному ее состоянию. Реальные процессы, как правило, необратимы. В этом случае следует рассчитывать изменение энтропии при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 по формуле

(4)

Знак равенства необходимо использовать лишь для анализа равновесных процессов в термодинамически изолированной замкнутой системе, состоящей, например, из испаряющейся жидкости и пара, образовавшегося из нее.

Итак, из формул (4) и (3) => вытекают два важных следствия:

1. энтропия изолированной системы возрастает, если в системе протекают необратимые процессы – система переходит из менее вероятных - жидких состояний в более вероятные – газообразные состояния;

2. энтропия системы находящейся в равновесном состоянии максимальна и остается постоянной

Методика определения изменения энтропии испаряющейся жидкости.

1. Определить температуру, при которой идет опыт, по термометру находящемуся в лаборатории.

2. Налив в стаканчик этиловый спирт, поместить его на левую чашку аналитических весов и провести уравновешивание их в соответствие с правилами взвешивания и записать в таблицу исходное значение массы m_o

3. Зафиксировать на часах начало отсчета времени, после чего в течение 5 минут наблюдать изменение массы спирта в процессе испарения по перемещению светового указателя весов. По истечении 5 минут записав в таблицу новое значение массы m ₁ необходимо определить изменение показаний весов Δm₁ которое будет равно массе испарившегося спирта.

m₁ = m_o – m₁

4. Повторив опыт еще 2 раза определяем значение массы m ₂ и m₃ и соответственно массу испарившегося спирта за равные промежутки времени

m₂ = m₁ – m₂ m₃ = m₂ – m₃

5. На основании результатов трех опытов можно рассчитать среднее значение массы испарившегося спирта <Δm> и количество теплоты

Q = r <m>

6. Рассчитать изменение энтропии системы молекул спирта при испарении части спирта по формуле:

(5)

Для рассчетов значение удельной теплоты парообразования этилового спирта "r" взять равной 925 10⁵ Дж/кг

Т – температура по шкале Кельвина.

7. Результаты измерений и рассчетов занести в таблицу

8. Сделать выводы по работе.

Таблица 1.

N n/n

T, K

mi 10-6 кг

∆m10-6 кг

<∆m> 10-6кг

r Дж/кг

∆S Дж/K

Контрольные вопросы

1 Расскажите чем отличаются друг от друга по строению – структуре газы жидкости и твердые кристаллические тела

2 Расскажите в каких средах имеются области ближнего и дальнего порядка

3Поясните физический смысл энтропии как функции состояния

4 Поясните статистический смысл энтропии

5 Напишите формулу связи энтропии и термодинамической вероятности

6 Сформулируйте третье начало термодинамики с использованием понятия энтропии для макросистем

7 Какие процессы называются равновесными неравновесными и квазистатическими?

Библиографический список

1. ИВ Савельев Курс физики т1М Наука1989 С292 - 300 321 - 322

2. ТИ Трофимова Курс физики 2-изд -М Высш шк 1990 С97-99 103 -105

3 Детлаф АА Яворский БМ Курс физики- М Высш шк 1989 С129 - 138 141 -143