Определение изменения энтропии при нагревании и плавлении олова: Практикум. Часть 1

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РСИ Т Е Т

О ПРЕ Д Е ЛЕ Н И Е И ЗМ Е Н Е Н И Я ЭН Т РО ПИ И ПРИ Н А ГРЕ В А Н И И И ПЛА В ЛЕ Н И И О ЛО В А Прак тик ум длястудентов Часть 1 Сп ец иаль ность 010400 – Ф изик а

В О РО Н Е Ж 2004

2

У тверж дено научно-методическ им советом ф изическ ого ф ак уль тета 18 дек абря2003 года, п роток ол № 10.

Составители: Черны ш евВ .В ., К ук уевВ .И .

Прак тик ум п одготовлен на к аф едре общ ей ф изик и ф изическ ого ф ак уль тета В оронеж ск огогосударственногоуниверситета. Рек омендуется для студентов 4 к урса дневного отделения сп ец иаль ности 010400 – Ф изик а.

3

Л а бора т орн а я ра бот а О П Р Е Д Е Л Е Н И Е И ЗМ Е Н Е Н И Я Э Н ТР О П И И П Р И Н А ГР Е ВА Н И И И П Л А ВЛ Е Н И И О Л О ВА Ц ель работы – оп ределение изменения э нтроп ии п ри ф азовом п ерех оде п ервогороданап римере п лавленияолова. Теория мет од а Ф азовы й п ерех од п ервогорода– ф азовое п ревращ ение, соп ровож даю щ ееся п оглощ ением или вы делением нек оторого к оличества ск ры той теп лоты и изменением удель ного объема вещ ества; темп ература п ерех ода остается п остоянной и зависит от давления. Значит, для того чтобы расп лавить нек оторую массу m вещ ества, нах одящ ую ся п ри темп ературе п лавления Т п , необх одимозатратить к оличествотеп лоты Qn = λm, (1) где λ – удель наятеп лотап лавленияданноговещ ества. Энтроп ией назы вается ф унк ц ия состояния термодинамическ ой системы , диф ф еренц иал к оторой dS п ри обратимом п роц ессе равен отнош ению беск онечно малого к оличества теп лоты dQ, сообщ енного системе, к термодинамическ ой темп ературе Т системы : δQ dS = . T Энтроп ия всегда оп ределяется с точность ю до п остоянной величины , п оэ тому смы сл имеет лиш ь ее изменение п ри п ерех оде системы из состояния 1 всостояние 2: 2 δQ ΔS = ∫ . (2) T 1 Проц есс п лавления олова п ротек ает п ри п остоянной темп ературе Т = Т п и, следователь но, является изотермическ им. И зменение э нтроп ии п ри так ом п роц ессе мож нонай ти п оф ормуле (2):

ΔS n

1 = Tn

2

∫ δQ n 1

=

Qn . Tn

И з вы раж ения (2) вы тек ает, что изменение э нтроп ии п ри нагревании и п лавлении олова мож но оп ределить к ак сумму изменений э нтроп ии п ри нагревании егоот началь ной темп ературы Т к дотемп ературы п лавления Т п и п ри п лавлении олова: T δQ н Q ΔS = ΔS н + ΔS n = ∫ + n . T T T n

к

4

У читы вая, что δQн = cmdT, и п ринимая во внимание ф ормулу (1), п олучаем

ΔS = cm

Tn

∫

Tк

или

dT λm + , T Tn

ΔS = cm ln

Tn λm + , Tк Tn

(3)

где c и λ – удель наятеп лоемк ость иудель наятеп лотап лавленияолова. Ф ормула (3) мож ет бы ть исп оль зована для э к сп ерименталь ного оп ределения изменения э нтроп ии п ри нагревании и п лавлении олова п осле измерениязначениятемп ератур Т к и Т п . Э ксперимен т а льн а я уст а н овка Д ля оп ределения изменения э нтроп ии п ри нагревании и п лавлении олова п редназначена э к сп ерименталь ная установк а Ф ПТ 11, общ ий вид к оторой п ок азан нарис.1.

Рисунок 1 – О бщ ий вид э к сп ерименталь ной установк и Ф ПТ 11: 1 – стой к а; 2 – к ронш тей н; 3 – нагреватель ; 4 – датчик темп ературы ; 5 – тигель с исследуемы м материалом; 6 – блок рабочегоэ лемента; 7 – блок п риборов.

5

Н агревание олова п роисх одит в тигле с п омощ ь ю э лек трическ ого нагревателя 3, источник п итания к оторого размещ ен в блок е п риборов 7. Т емп ература олова измеряется ц иф ровы м термометром, расп олож енны м в блок е рабочего э лемента 6. В ремя нагрева измеряется ц иф ровы м сек ундомером, расп олож енны м в блок е п риборов. Сек ундомер п риводится в дей ствие п ри вк лю чении п итанияблок ап риборов. П оряд ок вы полн ен ия ра бот ы 1. В к лю чить установк у тумблером «Сеть » и измерить началь ную темп ературу олова(Т к ). 2. О дновременно вк лю чить нагреватель и зап устить сек ундомер и через к аж дую минуту измерять темп ературу олова. И змерения п роводить дотех п ор, п ок а темп ература не достигнет п остоянной величины (Т п), а затем начнет увеличивать ся. Резуль таты измерений отмечать награф ик е Т = f(t). 3. В ы к лю чить нагреватель и п ровести аналогичны е измерения п ри ох лаж дении олова, отмечаятемп ературу натом ж е граф ик е, чтои вп .2. 4. В ы к лю чить установк у тумблером «Сеть ». О бра бот ка результ а т ов измерен ия 1. По двум п олученны м граф ик ам оп ределить темп ературы , соответствую щ ие участк ам граф ик ов, п араллель ны м оси времени, и п о их среднему знач ению най ти темп ературу п лавленияолова. 2. Поф ормуле (3) оп ределить изменение э нтроп ии вовремя нагревания и п лавления олова, удель ную теп лоту п лавления и удель ную теп лоемк ость олова най ти всп равочник ах . 3. О ц енить п огреш ность резуль татовизмерений . Кон т рольн ы е за д а н ия 1. Чтотак ое ф азовы й п ерех од п ервогорода? 2. В ы ведите основную расчетную ф ормулу, исп оль зуемую в данной работе. 3. В чем зак лю чается метод оп ределения изменения э нтроп ии п ри нагревании и п лавленииолова, к оторы й исп оль зован вданной работе? 4. Д ок ак ой темп ературы нуж нонагревать оловов тигле п ри вы п олнении э к сп еримента? 5. К ак ие основны е источник и п огреш ностей данногометодаизмерений ?

6

Л ит ера т ура 1. Базаров И .П. Т ермодинамик а: У чеб. для вузов / И .П.Базаров. – 4-е изд., п ерераб. и доп . – М .: В ы сш . ш к ., 1991. – 376 с. 2. Ф изическ ие величины : Сп равочник / А .П.Бабич ев, Н .А .Бабуш к ина, А .М .Братк овск ий и др.; Под ред. И .С.Григорь ева, Е .З.М ей лих ова. – М .: Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.

7

Составители: Черны ш евВ адим В ик торович , К ук уевВ ячеславИ ванович Редак тор Т их омироваО .А .