Лабораторна робота № 5–3

Лабораторна робота № 5-3 визначення ентропії при нагріваванні та плавленні олова

Мета роботи: визначення приросту ентропії при фазовому переході І роду при плавленні олова.

Обладнання: нагрівач зі стаканчиком, в якому знажодиться олово, мілівольтметр, секундомір.

Теоретичні відомості

Плавлення – це фазовий перехід першого роду, тобто перехід речовини з однієї фази в іншу, який супроводжується поглинанням чи виділенням деякої кількості теплоти та зміною об’єму. До таких переходів належать також кристалізація та кипіння.

При нагріванні кристалічних твердих речовин збільшується амплітуда теплових коливань атомів(молекул). Це призводить до збільшення відстані між атомами (молекулами) та зменшення зв’язку між ними, що обумовлює плавлення речовини.

Плавлення відбувається при сталій температурі . Кількість теплоти, що необхідна для плавлення одиниці маси кристалічної речовини називається питомою теплотою плавлення . Плавлення супроводжується також зміною ентропії . Ентропія залежить від стану системи і не залежить від способу переходу системи у цей стан. Згідно Л.Больцмана:

, (1)

де - стала Больцмана, - термодинамічна ймовірність стану.

Ентропія характеризує впорядкованість розташування структурних одиниць у системі, тобто чим більше невпорядкованість у розташуванні, тим більше , тим більше . Оскільки при плавленні невпорядкованість у розташуванні атомів (молекул) збільшується, то при цьому зростає і ентропія.

Якщо процес є рівноважним (оборотним), елементарна зміна ентропії системи при наданні їй кількості теплоти при температурі дорівнює:

(2)

Процес плавлення можна вважати рівноважним (оборотним), якщо проводити його досить повільно, таким чином, щоб температура всіх точок зразка була однаковою. У цьому випадку:

, (3)

де - маса речовини, - питома ентропія плавлення. Зміна ентропії при нагріванні та плавленні олова: , (4)

- питома теплоємність олова, - кімнатна температура.

Опис експериментальної установки

Температура олова визначається за допомогою термопари. Спай термопари 2 знаходиться у стакані 3, який розташований на нагрівачі 4. Термо ЕРС, що обумовлена різницею температури спаю та кімнатної температури, вимірюється мілівольтметром () - 1.

Залежність температури від часу при охолодженні олова буде мати вигляд, як на рис. 2.

Ділянка 1–2 на рис. 2 відповідає охолодженню олова до початку кристалізації, ділянка 2–3 – кристалізації, 3–4 – охолодженню вже кристалізованого олова.

Проведення експерименту

Вправа 1. Зняття залежності температури нагрівання олова від часу

1. Визначити кімнатну температуру, результат показу термометра занести до таблиці № 3.

2. Увімкнути в електромережу прилад для вимірювання термо-ЕРС.

3. Виміряти величину термо-ЕРС.

4. За графіком, що градуює термопару, визначити кімнатну температуру.

5. Ввімкнути нагрівач в електромережу.

6. Одночасно із вмиканням нагрівача в електромережу почати відлік часу і через кожну хвилину проводити вимірювання термо-ЕРС. Вимірювання проводити до тих пір, доки значення термо-ЕРС не досягне сталої величини , а потім почне збільшуватись.

7. Дані пунктів 2-6 занести у таблицю № 1.

Таблиця № 1 НАГРІВАННЯ ОЛОВА
, хв	, мВ
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30

Вправа 2. Зняття залежності температури охолодження олова від часу

1. Вимкнути нагрівач від електромережі.

2. Виміряти величину термо-ЕРС.

3. Одночасно з вимиканням нагрівача розпочати відлік часу і через кожну хвилину проводити вимірювання термо-ЕРС. Вимірювання проводити до тих пір, доки значення термо-ЕРС не досягне сталої величини , а потім почне зменшуватись.

4. Результати занести у таблицю 2.

Таблиця № 2 ОХОЛОДЖЕННЯ ОЛОВА
, хв	, мВ