В данной лабораторной работе определяется изменение энтропии, происходящее при нагревании и плавлении (или при охлаждении и затвердевании) определенной массы олова. 

   Возрастание энтропии при нагревании можно объяснить возрастанием энергии колебательного движения атомов олова в кристаллической решетке, что приводит к увеличению возможных микросостояний и, следовательно, к росту энтропии, как меры неупорядоченности системы. При плавлении энтропия  системы возрастает дополнительно за счет неупорядоченности пространственного распределения атомов в жидкой фазе.

   Если первоначально температура олова равна комнатной, то при подведении теплоты олово сначала нагревается до температуры плавления, потом плавится при постоянной температуре. Изменение энтропии на первом этапе – в процессе нагревания, равно:

                                                                 (7)

где Тпл - температура плавления, Тн—начальная температура кристаллической фазы, с - удельная теплоемкость олова:  с = 2,3 • 102 Дж/(кг ×К),  m - масса олова.

  На втором этапе - при плавлении, изменение энтропии  определяется по формуле:

                                                                                                                    (8)

где l — удельная теплота плавления (для олова l=5,85×104 Дж/кг).

  Полное изменение энтропии равно:

                                                              (9)

   Эта величина положительна DS >0, если рассматриваемый процесс сопровождается притоком теплоты в систему, т.е. при нагревании и плавлении. При  кристаллизации и охлаждении DS<0.  Для вычисления DS  надо знать параметры, входящие в (9), в частности, необходимо измерить   температуру   плавления и температуру кристаллизации олова.

Измерения и обработка результатов

1. Изучите  описание  экспериментальной установки. При работе особое внимание уделить технике безопасности:

·   Включайте нагреватель только с разрешения преподавателя.

·   Не касайтесь металлических деталей установки  во время его работы. Опасайтесь ожогов.

·   Прежде, чем производить любые манипуляции с прибором  выньте вилку трансформатора из розетки.

2. Подготовьте прибор к работе. Для этого опустите пробирку с оловом в горловину печи. Подключить мультиметр к гнездам термопары, выставив его на 200mV постоянного напряжения.

3. Включите прибор (с разрешения преподавателя). Через каждые 20 –30 секунд записывайте показания мультиметра. Данные заносите в таблицу 1 отчета. Когда  милливольтметр покажет   12 – 13 мВ, процесс нагревания остановите, отключив электропечь.

4. Для охлаждения образца поднимите его и отведите  в сторону от электропечи. Для этого отверните  винт крепления муфты  штатива, поверните держатель пробирки и  закрепить его в новом положении.

5. Произведите измерения температуры в процессе охлаждения образца. Для этого вновь необходимо отмечать показания  милливольтметра через каждые 20-30 секунд.  Этот процесс завершите при показаниях милливольтметра  4 – 5 мВ. (таблица 2)

6. Пользуясь градуировочным коэффициентом, переведите показания милливольтметра в градусы Цельсия с учетом комнатной температуры. Заполнить соответствующую строку в таблицах 1 и 2.

7. По  полученным результатам  постройте графики  изменения температуры олова со временем tо=f(t). Желательно, чтобы в верхней части графики нагревания и охлаждения кончались и начинались из одной точки.

8. Вновь включите электропечь и повторно снимите данные для построения кривых нагревания-плавления  и кристаллизации-охлаждения олова. Заполнить таблицы 3 и 4. Постройте на прежней  координатной сетке новые графики  tо=f(t).  По горизонтальным участкам всех четырех кривых определите среднее значение температуры фазовых переходов: плавления Тпл и кристаллизации Ткр  (по шкале Кельвина).

9. По данным эксперимента, используя выражения (7-9), вычислите:

·   Изменение энтропии DS1  данного образца олова при изменении температуры от комнатной до температуры плавления олова.

·   Изменение  энтропии этого образца DS2 при плавлении  олова.

·   Полное изменение энтропии в процессе нагревания и плавления образца.

·   Изменение энтропии DS3 данного образца олова при кристаллизации образца.

·   Изменение энтропии DS4  данного образца олова при охлаждении образца от температуры кристаллизации до конечной температуры.

·   Полное изменение энтропии образца при его кристаллизации и охлаждении.

Контрольные вопросы

1.             Какими энергетическими превращениями сопровождается процесс плавления?  Процесс кристаллизации?

2.              Приведите примеры обратимых и необратимых термодинамиче­ских процессов.

3.             Каков физический смысл «приведенной теплоты»?  Почему в необратимых процессах сумма приведенных количеств теплоты не равна нулю?

4.             Почему  имеет смысл  изменение энтропии, а не  ее значение?

5.              Каков вероятностный смысл понятия энтропия?  Приведите примеры.

6.             Как рассчитать изменение энтропии при  нагревании?  При фазовом переходе в веществе?

7.              Каков  принцип  действия термопары? Дифференциальной термопары?

Отчет по лабораторной работе № 5

«Изучение изменения энтропии в неизолированной системе»

выполненной студент . . . . .  курса, ...... Ф. И. ...........

группа ….                                                                                «…»…………. 200...г.

Цель работы: .............................................................................................................................

Масса образца                                      m = .... кг

Удельная теплоемкость олова           с = .... Дж/кг×К

Удельная теплота плавления олова   l = ... Дж/кг

Комнатная температура                      tк = ... °С

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Расчет изменения энтропии

   При нагревании образца: Тн = ... К,  Тпл = ... К,                      DS1 = ...                 Дж/К

   При плавлении образца:   Тпл = ... К                                         DS2 = ...               Дж/К

   Полное изменение при нагревании и плавлении:                   DS = ...                 Дж/К

   При кристаллизации образца:  Ткр = ... К,  Тк = ... К,             DS3 = ...                Дж/К

   При охлаждении образца: Ткр = ... К,    Тк = ... К,                  DS4 = ...                 Дж/К

   Полное изменение при кристаллизации и охлаждении:       DS = ...                  Дж/К

Выводы: ………………………………………………………………………………………..

[1] Анализ формулы  (13) показывает наличие минимума  у периода колебаний при  ml2=J0.

[2] Оценка погрешности измерения производится по данным первого опыта с указанием   погрешностей всех величин, входящих в расчетную формулу. В окончательный результат вносится среднее по всем опытам значение вязкости.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7