41861

Определение удельной теплоты плавления олова

Лабораторная работа

Физика

Температура при которой вещество плавится называется температурой плавления вещества. Температура плавления для данного вещества при одинаковых условиях одинакова. Однако это не значит что в процессе плавления к телу не надо подводить энергию.

Русский

2013-10-26

286.55 KB

31 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 32

Определение удельной теплоты плавления олова

Оборудование: тигель с исследуемым металлом (олово), термопара, электрическая плитка, градуировочная кривая термопары, секундомер.

Краткая теория

Термодинамическая фаза— термодинамически равновесное состояние вещества, качественно отличающееся по своим физическим свойствам от других равновесных состояний того же вещества.

Переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий называется фазовым переходом. Поскольку разделение на термодинамические фазы — более мелкая классификация состояний, чем разделение по агрегатным состояниям вещества, то далеко не каждый фазовый переход сопровождается сменой агрегатного состояния. Однако любая смена агрегатного состояния есть фазовый переход.

Различают фазовые переходы первого и второго рода. При осуществлении фазового перехода первого рода поглощается или выделяется теплота. Наиболее распространённые примеры фазовых переходов первого рода:

  1.  плавление и кристаллизация
  2.  кипение и конденсация

Фазовые переходы второго рода не сопровождаются выделением или поглощением теплоты перехода. Происходит лишь скачок теплоёмкости и других физических свойств. Наиболее распространённые примеры фазовых переходов второго рода:

  1.  переход металлов и сплавов в состояние сверхпроводимости 
  2.  переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние 
  3.  переход аморфных материалов в стеклообразное состояние

Рассмотрим плавление и кристаллизацию. Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением. Обратный процесс называется кристаллизацией. Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления вещества. Температура плавления для данного вещества при одинаковых условиях одинакова.

При плавлении температура вещества не меняется, т.е. процесс протекает изотермически. Однако это не значит, что в процессе плавления к телу не надо подводить энергию. Опыт показывает, что если подача энергии путем теплообмена прекращается, то прекращается и процесс плавления. При плавлении подводимая к телу теплота идет на уменьшение связей между частицами вещества, т. е. на разрушение кристаллической решетки. При этом уменьшается энергия взаимодействия между частицами. Небольшая же часть теплоты при плавлении расходуется на совершение работы по изменению объема тела, так как у большинства веществ при плавлении объем возрастает. В процессе плавления к телу подводится некоторое количество теплоты, которая называется теплотой плавления. Теплота плавления пропорциональна массе расплавившегося вещества:

,

где величина λ называется удельной теплотой плавления вещества. Удельная теплота плавления показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы расплавить 1 кг данного вещества при температуре плавления. Она измеряется в Дж/кг.

Построим диаграмму плавкости. Для этого на оси абсцисс откладываем время, а на оси ординат – температуру (рисунок 1). Температура повышается сначала быстро, затем медленнее. Чем выше температура, тем больше потеря теплоты в окружающее пространство; поэтому происходит замедление нагрева.

При некоторой температуре Тпл начинается процесс плавления и, пока он идёт, температура не меняется. На кривой плавкости получается горизонтальная линия.

     Т

   Тпл

        0         t

Рисунок 1 – диаграмма плавкости

Наличие этой линии показывает, что в это время происходит изотермическое плавление и вся притекающая теплота идёт на разрушение кристаллической решётки. Когда плавление закончится, образуется жидкая фаза, и её температура начинает повышаться. Если в некоторый момент прекратить нагрев жидкости и начать её охлаждать, то кривая пойдёт вниз. Когда температура понизится до Тпл, начнётся процесс кристаллизации.

Процесс кристаллизации протекает с выделением теплоты кристаллизации, которая равна теплоте плавления. Пока происходит кристаллизация, пока атомы и молекулы жидкой фазы образуют кристаллическую решётку, соединяясь друг с другом, температура останется неизменной. Когда процесс кристаллизации закончится, прекратится выделение теплоты кристаллизации и тело начнёт охлаждаться.

Теория метода

Рассмотрим график зависимости температуры олова от времени его охлаждения (рисунок 2). Для определения скрытой теплоты кристаллизации заменим реальный график идеализированным, соединив точки А и В, С и D прямыми.

T

T1

T2

T3

 0

A

B

C

D

t1          t2   t3  t4  t

Рисунок 2 – АВ – остывание жидкого олова до начала кристаллизации; ВС – кристаллизация олова; СD – охлаждение твёрдого олова

Количество теплоты q1,отдаваемое в среднем жидким оловом вместе с тиглем при остывании равно

  (1)

где с1=2,66∙102Дж/(кг∙град) – удельная теплоёмкость жидкого олова, т1 - масса олова, с2 – удельная теплоёмкость тигля, т2 - масса тигля, Т2=231,90С – температура плавления олова.

При остывании твердого олова в единицу времени отдается количество теплоты q2

  (2)

где - удельная теплоемкость твердого олова.

Количество теплоты, израсходованное в единицу времени на кристаллизацию,  равно

    (3)

где λ - удельная теплота плавления (кристаллизации).

Величина  может быть определена как среднее  арифметическое между и

     (4)

Подставляя значения  и  из уравнений (1), (2), (3) в выражение (4), после преобразований получим:

    (5)

3

Описание установки

1

2

Рисунок 3 - 1 – тигель с оловом, 2 – электроплитка, 3 – термопара

На рисунке 3: 1 – тигель с оловом, 2 – электроплитка, 3 – термопара.

Рисунок 4 – милливольтметр и градуировочная кривая термопары

Ход работы

  1.  Определить взвешиванием массу олова и тигля.
  2.  Тигель с оловом поместить на электроплитку. Когда олово расплавится, в него для измерения температуры погрузить термопару, присоединенную к милливольтметру, и довести температуру до 2500С. Плитку выключить.
  3.  Через каждые 5секунд записывать показания милливольтметра до охлаждения олова до 2000С, после чего тигель вновь нагреть для извлечения из него термопары.

Обработка измерений

  1.  Используя градуировочный график милливольтметра (на установке), сделать перевод полученных показаний прибора в градусы по шкале Цельсия.
  2.  Построить  на миллиметровой бумаге зависимость температуры от времени .
  3.   Определить из графика температуры  и моменты времени , , ,  соответствующие точкам А, В, С и D (см рисунок 2).
  4.  Вычислить по формуле (5) удельную теплоту плавления олова.

Контрольные вопросы

  1.  Сформулируйте определение термодинамической фазы.
  2.  Дайте определение фазового превращения.
  3.  Фазовым переходом второго или первого рода является кристаллизация?
  4.  Объясните динамику процесса кристаллизации.
  5.  Что называется удельной теплотой плавления? Каковы её единицы измерения?
  6.  Как изменится период времени   с уменьшением температуры окружающей среды?
  7.  Объясните, почему

Рекомендуемая литература

  1.  Телеснин Р.В. Молекулярная физика. Учеб. пособие для университетов. СПб: Лань, 2009.
  2.  Курс физики. Учебник для вузов/под. ред. проф. В.Н. Лозовского. СПб: Лань, 2006. Т.2
  3.  Т.И. Трофимова. Краткий курс физики. Учебное пособие для вузов. М: Высшая школа, 2009.
  4.  Т.И. Трофимова. Основы физики. Книга 2. Молекулярная физика. Термодинамика. Учебник для вузов. М: Высшая школа, 2009.

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

35003. Сущность заработной платы и ее формы 22.5 KB
  Коротко можно определить зарплату как цену уплачиваемую за единицу времени услуг труда. По мере развития общества растет и та часть общественного богатства которая затрачивается на оплату труда работников в рынок труда в конечном счете определяет дифференциацию заработной платы различных категорий работников. Верхняя граница зарплаты определяется темпами роста производительности труда.
35004. Необходимость, государственного регулирования экономики 26 KB
  Государство выправляя известное несовершенство рыночной системы берет на себя организацию предложения центральных денег и в обозримом будущем без государственной помощи не обойтись. Взаимодействия участников системы свободного предпринимательства многообразны по формам и социальным последствиям. Здесь основной задачей государства является создание правовой базы и общественной атмосферы для поддержания и облегчения функционирования рыночной системы перераспределение дохода н богатства и стабилизация экономики.
35005. Экономические функции, государства 31 KB
  Государство берет на себя задачу обеспечения правовой базою и некоторых важнейших услуг являющихся предпосылкой эффективного функционирования рыночной экономики. Государство устанавливает также законные правила игры регулирующие отношения между предприятиями поставщиками ресурсов и потребителями. Основные услуги обеспечиваемые государством включают применение полицейских сил для поддержания общественного порядка введение стандартов измерения веса и качества продуктов создание денежной системы облегчающей Обмен товаров и услуг....
35006. Методы воздействия государства на экономику 29.5 KB
  Государственное регулирование это форма целенаправленного воздействия государства на функционирующую экономическую систему с целью обеспечения пли поддержания определенных процессов изменений экономических явлений или их связей. В развитых странах есть два пути сокращения государственных расходов: уменьшение расточительства государственных органов и сужение сферы деятельности государства. Другая форма денежнокредитных отношений активное участие государства в операциях на рынке ценных бумаг с целью регулирования количества обращающихся...
35007. Роль, макроэкономических показателей 33.5 KB
  В мире успешно функционирует система национальных счетов СНС приспособленная к условиям рыночной экономики. В тот период она была связана прежде всего с обслуживанием интересов органов государственного уиравления а сегодня СНС проникла во все сферы экономической и общественнополитической жизни общества. В феврале 1993 года на очередной сессии Статистической комиссии ООН в НьюЙорке была принята новая усовершенствованная СНС. В конце 1992 года Верховный Совет Российской Федерации одобрил государственную программу перехода...
35008. ВНП и его расчет по доходам и расходам 35.5 KB
  При расчете ВНП учитывается только рыночная стоимость конечных продуктов и исключается промежуточная продукция. Поскольку в стоимость конечных продуктов входят все уже имевшие место промежуточные сделки покупка покрышек ткани производителями конечной продукции то отдельный учет промежуточной продукции означал бы двойной счет и завышенную оценку ВНП. Следует подчеркнуть одну из особенностей ВНП: он измеряет стоимость продукции произведенной факторами производства находящимися в собственности граждан данной страны даже если они живут...
35009. ВНП 31.5 KB
  Различают индекс потребительских цен ИПЦ и индекс цен ВНП или дефлятор ВНП который отражает не только цены потребительских товаров и услуг но и инвестиционных товаров. Дефлятор ВНП помогает проводить корректировку объема ВНП за определенное время измерять рост его реального объема по сравнению с номинальным. Номинальный ВНП измеряется в текущих ценах реальный в постоянных базовых ценах.
35010. Экономический цикл 26.5 KB
  Развитие экономики в режиме циклических колебаний прослеживается уже более 170 лет. Период движения экономики от одного кризиса к другому называется экономическим циклом. Вместе с тем подъем выводящий экономику на новый уровень в ее поступательном развитии заканчивается новой бездной краха Для сглаживания пиков экономической конъюнктуры государство использует разнообразные экономические инструментарии от льгот по налогообложению доходов до прямых вложений государственных средств в развитие экономики. Несмотря на определенные успехи...