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

57 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

17686. Роздільна здатність телескопу та мікроскопу 523.26 KB
  Роздільна здатність телескопу та мікроскопу. Границі роздільної здатності оптичних приладів. Роздільна здатність оптичних приладів обмежується дифракцією Фраунгофера на їх вхідній апертурі оскільки при цьому кожна точка об’єкта зображується дифракційною карти
17687. Розсіювання світла в мутних середовищах (αλ, α ~λ, αλ,) 88.38 KB
  Розсіювання світла в мутних середовищах. Мутне середовище – середовище в якому містяться завислі частинки. Розсіювання світла у мутному середовищі можна описати на основі теорії дифракції світла на діелектричних частинках. Розглянемо три випадки відн
17688. Розсіяння Мендельштама-Брілюена 25.17 KB
  Розсіяння МендельштамаБрілюена Розсіюванням Мандельштама Брілюена називають розсіювання оптичного випромінювання конденсованими середовищами твердими тілами і рідинами в результаті його взаємодії з власними пружними коливаннями цих середовищ. Воно супроводжує...
17689. Самофокусування світла 33.92 KB
  Самофокусування світла Самофокусування світла – це ефект самовпливу що виникає при розповсюдженні в нелінійному середовищі інтенсивного світлового пучка що має обмежений поперечний переріз. Розглянемо феноменологічне матеріальне рівняння де – поляризованість...
17690. Скін-ефект. Аномальний скін-ефект 18.65 KB
  Скінефект. Аномальний скінефект Проникнення єлектронномагнітної хвилі в тонкий поверхневий шар металу є частковим випадком скінефекту. Сам шар у який проникає електромагнітне поле називається скіншаром. Напруженість поля в скіншар зменшується експоненційно таки
17691. Теорія випромінювання Ейнштейна 19.17 KB
  Теорія випромінювання Ейнштейна Це по суті новий теоретичний вивід формули Планка. Нехай значення енергії які може набувати атом чи будьяка атомна система. Розглянемо багато однакових атомів у світловому полі яке є ізотропним і неполяризованим. Нехай і – кіль...
17692. Товсті та тонкі голограми 96.74 KB
  Товсті та тонкі голограми. Голографія набір технологій для точного запису відтворення і переформатування хвильових полів. Це спосіб одержання обємних зображень предметів на фотопластинці голограми за допомогою когерентного випромінювання лазера. Голограма фік
17693. Умови інтерференції двох хвиль 17.49 KB
  Умови інтерференції двох хвиль. Інтерференція – зміна середньої інтенсивності що обумовлена принципом суперпозиції. Для інтерференції хвиль необхідною умовою є їх когерентність: однакові частоти однаково поляризованілінійно стала в часі різниця фаз. ...
17694. Фазовий синхронізм у параметричних явищах 36.72 KB
  Фазовий синхронізм у параметричних явищах. Нелінійний доданок до поляризації середовища в нульовому наближені:перший доданок не залежить від часу так зване оптичне детектування. Другий доданок гармонічно змінюється з часом. З ним пов’язана генерація в нелінійному сер...