37883

Определение изменения энтропии твердого тела при его нагревании и плавлении

Лабораторная работа

Физика

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.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. Изменение энтропии твердого тела при его нагревании и плавлении можно определить используя зависимость...

Русский

2013-09-25

244 KB

62 чел.

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 Тп, 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 Тп найдется интегрированием (2.4):

.                         (2.5)

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

,                                    (2,6)

где Qп – 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 Тп.

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, Тп, 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


Т

Тп

Т0

I                   II                      III

t1                        t2                        t

Рис. 2.1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78642. Предпринимательские риски, их оценка и пути снижения 32.5 KB
  Внешние факторы влияющие на уровень предпринимательского риска подразделяются на две группы: факторы прямого воздействия и факторы косвенного воздействия. Факторы прямого воздействия непосредственно влияют на результаты предпринимательской деятельности и уровень риска. Факторы косвенного воздействия не могут оказывать прямого влияния на предпринимательскую деятельность и уровень риска но способствуют его изменению. Каждая предпринимательская фирма имеет собственные предпочтения деятельности направленно связанные с риском и на основе...
78643. Конкурентоспособность в предпринимательстве и пути ее повышения 30.5 KB
  Все факторы конкурентоспособности предприятия М. Вопервых факторы конкурентоспособности предприятия делятся на: основные; развитые. Основные факторы это природные ресурсы климатические условия географическое положение страны неквалифицированная и полуквалифицированная рабочая сила. Развитые факторы современная инфраструктура обмена информацией высококвалифицированные кадры использование высокотехнологичных производств.
78644. Структура и сегментирование рынков в маркетинге 30.5 KB
  Углубленное исследование рынка предполагает необходимость ее рассмотрения как дефиринцированной структуры в зависимости от групп потребителей и потребительских свойств товара что в широком смысле определяет понятие рыночной сегментации. Рыночная сегментация представляет собой с одной стороны метод для нахождения частей рынка и определения объектов на которые направлена маркетинговая деятельность предприятия. Под сегментацией понимается разделение рынка на сегменты различающиеся своими параметрами или реакцией на те или иные виды...
78645. Маркетинг: принципы и методы маркетинговых исследований 31.5 KB
  Маркетинговые исследования занимают обычно срединное положение между осознанием необходимости какоголибо решения и его принятием. Принципиальной особенностью маркетингового исследования отличающей его от сбора и анализа внутренней и внешней текущей информации является его целевая направленность на решение определенной проблемы или комплекса проблем маркетинга. В итоге маркетинговые исследования призваны обосновать вид и долю товара фирмы который она намерена представить на определённом рынке. Принцип точности означает четкость постановки...
78646. Товарная политика фирмы и методы ее формирования 32 KB
  Товарная политика это разработка частных стратегий по оценке номенклатуры выпускаемой продукции и движения ее до потребителей соответствующих рынков. Товарная политика составная часть перспективного плана развития производства включающая предварительный выбор номенклатуры продукции некоторые из которых в дальнейшем будут включены в производственный портфель. Разработка товарной политики предусматривает: комплексный анализ возможностей действующих рынков с позиции обеспечения успешной реализации планируемой номенклатуры продукции т....
78647. Диагностика банкротства предприятия 32 KB
  Диагностика банкротства предприятия. Определение банкротства дается в ст. Наличие признаков банкротства: юридическое лицо считается неспособным удовлетворить требования кредиторов по денежным обязательствам и или исполнить обязанность по уплате обязательных платежей если соответствующие обязательства и или обязанность не исполнены им в течение трех месяцев с даты когда они должны были быть исполнены. Одним из методов диагностики вероятности банкротства может быть использован многокритериальный подход.
78648. Методы разработки, обоснования и принятия УР на предприятии 28 KB
  Конечная цель системы менеджмента увеличение массы прибыли за счет повышения конкурентоспособности товара расширения рынка его сбыта и обеспечения устойчивости работы фирмы. Другими словами улучшения финансового состояния фирмы можно достигнуть за счет повышения качества товара чем выше качество тем выше цена реализации политики ресурсосбережения увеличения программы выпуска конкурентоспособного товара организационнотехнического и социального развития фирмы. Любые мероприятия по улучшению этих сторон деятельности отражаются на...
78649. Экономические методы управления 32 KB
  Экономические методы управления. Методы управления совокупность способов и приемов воздействия субъекта управления посредством своей дельности на управляемый объект для достижения поставленной цели. Методы управления классифицируются по многочисленным признакам. Их соотношение отражает характерные черты стиля управления.