4. Контрольные вопросы

1. Какое явление называют теплопроводностью? Какой закон описывает это явление?

2. Расскажите о механизме теплопроводности в металлах.

3. Какой режим называют стационарным? Получите уравнение (10.5), описывающее этот режим.

4. Выведите формулу (10.10) для коэффициента теплопроводности металла.

5. Что такое термопара? Как с её помощью можно измерить температуру в определенной точке стержня?

6. Объясните методику измерения теплопроводности в данной работе?

Лабораторная работа № 11 определение изменения энтропии при нагревании и плавлении олова

Цель работы: получить диаграмму нагревания и плавления, а также охлаждения и кристаллизации олова; определить температуру плавления олова; определить изменение энтропии при нагревании и плавлении олова.

Оборудование: установка ФПТ1-11, исследуемый материал – олово, нагреватель и датчик температуры.

1. Краткая теория и методика выполнения работы

Фазами системы называют ее однородные части, которые находятся в физически различных состояниях и отделены друг от друга границами раздела. Например, в закрытом сосуде заключена некоторая масса воды, в которой плавают кусочки льда и над которой находится смесь воздуха с водяными парами. Эта система является трехфазной. Она состоит из твердой фазы (лед), жидкой (вода) и газообразной (смесь воздуха с водяными парами).

Фазовым превращением, или фазовым переходом, называется переход вещества из одной фазы в другую. Различают два типа фазовых переходов.

Фазовые переходы первого рода – фазовые превращения, при которых скачкообразно изменяются такие характеристики вещества, как плотность, удельный и молярный объем, концентрации компонентов и, что особенно характерно, выделяется или поглощается теплота, называемая скрытой теплотой перехода. Примерами таких переходов являются превращения вещества из одного агрегатного состояния в другое.

Фазовые переходы второго рода – фазовые превращения, при которых нет скрытой теплоты перехода, а скачкообразно изменяются теплоёмкость, удельная электрическая проводимость, вязкость и некоторые другие характеристики вещества. Примерами таких переходов являются переход металлов в сверхпроводящее состояние, переход вещества из ферромагнитного в парамагнитное состояние.

Фазовые переходы первого рода, в отличие от фазовых переходов второго рода, относятся к числу явлений, достаточно хорошо исследованных к настоящему времени и хорошо описываемых законами молекулярной физики.

Рассмотрим основные особенности фазовых переходов первого рода, проанализировав диаграмму нагревания и плавления, а также охлаждения и кристаллизации металла. Качественный вид диаграммы показан на рис. 11.1. Здесь на оси абсцисс отложено время, а на оси ординат – температураобразца,– начальная (комнатная) температура. Температура металла повышается сначала быстро, потом медленно (участок). Чем выше температура, тем больше потери теплоты в окружающее пространство, поэтому происходит замедление нагрева. При некоторой температуреначинается процесс плавления, и, пока он идет, температура не меняется. На графике получается горизонтальная линия – участок. В это время происходит изотермическое плавление, и вся сообщенная телу теплота идет на разрушение его кристаллической решетки. Когда заканчивается процесс плавления, образуется жидкая фаза, и ее температура начинает повышаться (участок). Если в некоторый момент временипрекратить нагрев жидкости и начать ее охлаждать, то кривая пойдет вниз (участок). Когда температура понизится до, то начнется процесс кристаллизации. Этот процесс протекает с выделением скрытой теплоты перехода. Пока атомы и молекулы жидкой фазы переходят в твёрдую, образуют кристаллическую решетку, температура металла остается неизменной. На графике возникает второй горизонтальный участок. Когда процесс кристаллизации закончится, прекратится и выделение скрытой теплоты перехода и образец начнет охлаждаться (участок).

Энтропией называется функция состояния термодинамической системы, дифференциал которой при обратимом процессе равен отношению бесконечно малого количества теплоты , сообщенного системе, к термодинамической температуре системы:

. (11.1)

Энтропия всегда определяется с точностью до постоянной величины, поэтому смысл имеет лишь ее изменение при переходе системы из состояния 1 в состояние 2: .

Найдем изменение энтропии металла при его переходе из состояния в состояние(рис. 11.1). Оно определяется как сумма изменений энтропии при нагревании (участок) и плавлении (участок):

. (11.2)

После подстановки выражения (11.1) в формулу (11.2) получим:

, (11.3)

где – температура плавления. Учитывая, что, где– удельная теплоёмкость,– масса образца и, где– удельная теплота плавления, из соотношения (11.3) получим:

. (11.4)

Отметим, что оба слагаемых в формуле (11.4) положительны.