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

74 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

20990. Цифрові рекурсивні фільтри 81.21 KB
  КРЕМЕНЧУК 2011 Мета: одержання практичних навичок із синтезу рекурсивних фільтрів Завдання Визначити параметри рекурсивного фільтра відповідно до варіанту навести передавальну функцію фільтра комплексну та у zзображеннях рівняння сигналу на виході фільтра та побудувати частотні характеристики фільтра. Розрахунок РЦФ в пакеті Mathcad Вихідні дані Визначення нормованих цифрових частот: Визначення порядку фільтра Фільтр 21 порядку розрахувати важко тому візьмемо фільтр 4 порядку Визначення передавальної функції цифрового...
20991. Цифрові нерекурсивні фільтри 154.13 KB
  КРЕМЕНЧУК 2011 Мета: набуття практичних навичок із синтезу нерекурсивних фільтрів низької та високої частоти смугового та режекторного фільтрів. Порядок виконання роботи Реалізація фільтру низьких частот: Реалізація фільтру високих частот: Реалізація смугового фільтру: Реалізація режекторного фільтру: Висновок: На даній практичній роботі були здобуті практичні навички із синтезу нерекурсивних фільтрів низької та високої частоти смугового та режекторного фільтрів.
20992. Розробка цифрових нерекурсивних та рекурсивних фільтрів в LabVIEW 146.2 KB
  Розміщуємо на блокдіаграмі експрес ВП DFD. Classical Filter Design Functions → Addons → Digital Filter Design → Filter Design → DFD Classical Filter Design Функції → Додаткові → Проектування цифрових фільтрів → Проектування фільтрів → DFD Класична розробка фільтрів. Рисунок 1 Конфігурація FIR ФНЧ Розміщуємо на блокдіаграмі експрес ВП DFD Filter Analysis Аналіз фільтру Functions → Addons → Digital Filter Design → Filter Analysis → DFI Filter Analysis Функції → Додаткові → Проектування цифрових фільтрів → Аналіз фільтрів →...
20993. Дослідження загальної процедури цифрових фільтрів в LabVIEW 240.66 KB
  розміщуємо три горизонтальні повзункові регулятори Horizontal Pointer Slid' Controls → Express → Numeric Control → Horizontal Pointer Slide Елементи керування → Експрес → Цифровий контроль → Горизонтальний повзунковий регулятор для налаштування частоти сигналів; три графіки осцилограми Waveform Graph для відображення вхідного і відфільтрованого сигналів у часовому і спектральному зображенні. На закладці Scale Шкала змінюємо максимальне значення шкали частоти Найквіста на 4000 Гц у всіх трьох елементах і на закладці Data Range Діапазон...
20994. Синтез цифрових фільтрів в MatLab 418.96 KB
  Баттерворда Режекторний Фільтр: Рисунок 1.1 АЧХ Рисунок 1.2 ФЧХ Рисунок 1.3 АФЧХ Рисунок 1.
20995. Дослідження характеристик цифрових фільтрів у програмі MatLab 297.85 KB
  Для перетворення сигналу з аналогової форми в дискретну застосовуємо блок АЦП. Для графічного відображення результатів роботи застосовуємо блоки Signal Processing Blockset signal Processing Sinks time Scope для відображення часової залежності сигналів та Signal Processing Blockset signal Processing Sinks spectrum Scope для відображення спектру сигналу. Для фільтрації в пакеті Sptool виконуємо наступні дії: В полі Signals виділяємо назву необхідного сигналу Signnoise. Натискуємо кнопку Apply після натиснення якої з'являється діалогове...
20996. Дослідження схем диференційних підсилювачів 268.5 KB
  Подаємо на входи диференційного підсилювача гармонійні сигнали різної амплітуди Uвх1= 2 В Uвх1= 15 В з частотою f = 1 кГц рис.1: Рисунок 1 Сигнали на входах диференційного підсилювача UBИX=54 В .2 зображено два сигнали сигнал з постійною амплітудою є вхідним. Подаємо на входи гармонійні сигнали різної частоти: рис.
20997. Дослідження диференціюючого та інтегруючого підсилювачів 492 KB
  Аналізуємо залежності форми вихідного сигналу від вхідного сигналу. Визначаємо вигляд вихідного сигналу при синусоїдальній прямокутній та трикутній формах вхідних сигналів. На вході інтегратора задаємо частоту згідно індивідуального завдання та подаємо вхідний синусоїдальний сигнал з частотою =10 Гц: визначаємо форму вихідного сигналу: переконуємося що вихідна напруга дорівнює інтегралу від вхідної напруги: Uвх=0.85 В На вході інтегратора задаємо частоту більшу в декілька разів від початкової та подаємо вхідний синусоїдальний сигнал з...
20998. Ознайомлення з лабораторним комплексом 181 KB
  До складу стенда входять наступні функціональні схеми: підсилювач з інвертуванням вхідного сигналу Inv Amplifier; підсилювач без інвертування вхідного сигналу NonInv Amplifier; суматор з інвертуванням вхідного сигналу Inv Summing Amplifie; суматор без інвертування вхідного сигналу NonInv Summing Amplifier; диференційний підсилювач Difference Amplifier; інструментальний підсилювач Instrumentation Amplifier; інтегратор Integrator; диференціатор Differentiator; фільтр низьких частот Low Pass Active Filter; ...