Экспериментальная часть

Установка собрана по схеме, показанной на рисунке 2. Она   состоит из электронагревателя малой мощности 2 (трубчатая муфельная печь ), питание которого осуществляется через понижающий трансформатор 3. В стеклянной пробирке находится небольшой кусочек олова известной массы 1. Пробирка закреплена в штативе и может опускаться в нагреватель или подниматься из него. Температуру олова измеряют дифференциальной термопарой. Она состоит из двух термопар,включенных «навстречу» так, что милливольтметр показывает разность термоЭДС. При этом температура t₁ «холодного спая» термопары должна быть постоянной и вполне определенной, для чего этот спай термопары рекомендуется погружать в тающий лед. Искомая температура t₂  определяется по градуировочному графику этой термопары или с помощью градуировочного коэффициента. Используемая в данной работе термопара в требуемом интервале температур имеет градуировочный коэффициент a =19,5 град/мВ.  

Если «холодный» спай термопары находится не в тающем льду, а в воздухе, то к полученным из градуировки результатам необходимо приплюсовать комнатную температуру. В качестве электроизмерительного прибора используется мультиметр, который включается на измерение постоянного напряжения на пределе 200 мV.

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 Т_пл - температура плавления, Т_н— 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 постоянногонапряжения.

3. Включите прибор (с разрешения преподавателя). Через каждые 20 –30 секундзаписывайте показания мультиметра. Данные заносите в таблицу 1 отчета. Когда милливольтметр покажет 12 – 13 мВ, процесснагревания 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 t^о=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 t^о=f(t). По горизонтальным участкам всех четырех кривых определите среднее значение температуры фазовых переходов: плавления Т_пл и кристаллизации Т_кр (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                 t_к =... °С

 

Таблица 1

t, c

U, мВ

t°C

 

Таблица 2

t, c

U, мВ

t°C

 

Таблица 3

t, c

U, мВ

t°C

 

Таблица 4

t, c

U, мВ

t°C

Расчет изменения энтропии

При нагревании образца: Т_н =... К, Т_пл =... К,                 DS₁ =...            Дж/К

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

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

При кристаллизации образца: Т_кр =... К, Т_к =... К,        DS₃ =...           Дж/К

При охлаждении образца: Т_кр =... К, Т_к =... 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.