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

61 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

19077. Принципы резонансного туннелирования. Резонансно-туннельный диод (РТД) на двух-барьерных и трех-барьерных структурах. Вольт-амперные характеристики РТД. Генерация излучения на РТД 745 KB
  Лекция 6 Принципы резонансного туннелирования. Резонанснотуннельный диод РТД на двухбарьерных и трехбарьерных структурах. Вольтамперные характеристики РТД. Генерация излучения на РТД. Введение В последнее время бурно развивается новая область науки физик
19078. Вольтфарадные характеристики структур с квантовыми ямами 662 KB
  Лекция 7. Вольтфарадные характеристики структур с квантовыми ямами Для контроля параметров квантоворазмерных структур состава структуры положения квантовых ям в структуре глубины квантовой ямы концентрации носителей заряда в яме и т.д. широко используются такие
19079. Двумерный электронный газ. Квантовый эффект Холла. Осцилляция Шубникова де Гааза 147 KB
  Лекция 8. Двумерный электронный газ. Квантовый эффект Холла. Осцилляция Шубникова де Гааза. Квантовый эффект Холла В отличие от классического квантовый эффект Холла наблюдается в проводниках толщина которых чрезвычайно мала и сравнима с межатомным расстоянием.
19080. Оптические методы исследования наноструктур. Основы фотолюминесценции Фотолюминесценция квантово-размерных структур 141.5 KB
  Лекция 9 Оптические методы исследования наноструктур. Основы фотолюминесценции Фотолюминесценция квантоворазмерных структур 1. Понятия. При взаимодействии электромагнитного излучения с веществом возникает излучение отличающееся по направлению распростране
19081. Проектирование БД «Школа». Создание таблиц. Проектирование модели реальной БД на примере создания БД «Школа» 94.55 MB
  Мы будем создавать работающую БД со всеми основными объектами: таблицами, формами, запросами и отчетами, используя всем нам хорошо знакомую предметную область – школу. Школа – это сложная структура со множеством объектов. Перечислим эти объекты: ученики, учителя, классы, администрация, изучаемые предметы, оценки по этим предметам, библиотека, столовая, кружки, родительский комитет, зарплата учителей, школьная мебель и оборудование, ремонт помещений
19082. Теория автоэлектронной эмиссии 221 KB
  ЛЕКЦИЯ 1011 Теория автоэлектронной эмиссии. АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ Под электронной эмиссией понимается испускание электронов как правило в вакуум из твердого тела или какойлибо другой среды. Тело из которого испускаются электроны называется катод. Электроны
19083. Принципы сканирующей зондовой микроскопии. Сканирующий туннельный микроскоп. Атомно-силовой микроскоп 440 KB
  ТЕМА 1213 Принципы сканирующей зондовой микроскопии. Сканирующий туннельный микроскоп Атомносиловой микроскоп Сравнительная характеристика различных методов микроскопического исследования поверхности твердых тел Мет...
19084. Электронная микроскопия 465 KB
  Лекция 14. Электронная микроскопия ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП прибор который позволяет получать сильно увеличенное изображение объектов используя для их освещения электроны. Электронный микроскоп ЭМ дает возможность видеть детали слишком мелкие чтобы их мог разреш...
19085. Нанотрубки и родственные структуры 309.5 KB
  Лекция 15. Нанотрубки и родственные структуры. Историческая справка Первооткрыватели Углеродные наноструктуры: фуллерены нанотрубки графен 1985 г. Открытие фуллеренов С60 Авторы: H.W.Kroto J.R.Heath S.C.O'Brien R.F.Curl R.E.Smalley Организации: Rice Quantum Inst. and Departments of Chemistry and Electrical...