Изменение энтропии при нагревании и плавлении

1 2 3

Лабораторная работа № 2-11

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ ПЛАВЛЕНИЯ,

ИЗМЕНЕНИЕ ЭНТРОПИИ ПРИ НАГРЕВАНИИ И ПЛАВЛЕНИИ

Цель работы:

– расчет удельной теплоты плавления олова;

– определение изменения энтропии при фазовом переходе 1-го рода на примере плавления олова.

Постановка экспериментальной задачи:

Фазой называется термодинамически равновесное состояние вещества, отличающееся по физическим свойствам от других возможных равновесных состояний того же вещества.

Переход вещества из одной фазы в другую – фазовый переход- всегда связан с качественными изменениями свойств вещества. Различают фазовые переходы двух родов.

Фазовый переход Ι рода (например, плавление, кристаллизация) сопровождается поглощением или выделением вполне определенного количества теплоты, называемой теплотой фазового перехода. Фазовые переходы Ι рода характеризуются постоянством температуры, изменениями энтропии и объема.

Фазовые переходы ΙΙ рода – это фазовые переходы не связанные с поглощением или выделением теплоты и изменением объема, например, переход ферромагнитных веществ при определенных давлении и температуре в парамагнитное состояние; переход металлов и некоторых сплавов при температуре близкой к 0 К в сверхпроводящее состояние, характеризуемое скачкообразным уменьшением электрического сопротивления до нуля.

Плавлениемназывается переход вещества из кристаллического (твердого) состояния в жидкое, который происходит с поглощением теплоты (фазовый переход 1-го рода). Главными характеристиками плавления являются температура плавления и теплота плавления .

Если твердое тело нагревать, то его внутренняя энергия (складывается из энергии колебаний частиц в узлах решетки и энергии взаимодействия этих частиц) возрастает. При повышении температуры амплитуда колебаний частиц увеличивается до тех пор, пока кристаллическая решетка не разрушится, - твердое тело плавится. Отношение элементарного количества теплоты , сообщенного телу при нагревании к соответственно изменению температуры тела называется теплоёмкостью

. (1)

Теплоёмкость зависит от массы тела, его химического состава, термодинамического состояния и вида процесса сообщения теплоты. Когда все вещество перейдет в жидкую фазу, процесс плавления заканчивается и все подводимое тепло идет на нагревание жидкости.

Количество теплоты, которое нужно сообщить единицы массы твердого тела, находящегося при температуре плавления, для превращения его в жидкость при той же температуре, называется удельной теплотой плавления.

В данной работе количество теплоты, выделяемой печкой, идет на плавление олова

, (2)

где m₀ – масса олова;

λ – удельная теплота плавления олова.

Зная мощность нагревателя N,

, (3)

определим удельную теплоту плавления

, (4)

где Δt – время плавления,

β – коэффициент, учитывающий рассеяние (потерю энергии) в окружающее пространство. Для данной лабораторной установки β=0,1.

Определение удельной теплоты плавления производится с использованием экспериментальной кривой (рис.1).

Рис.1. Временная зависимость температуры исследуемого тела в процессе нагревания.

График нагревания имеет три области: выше т.А – жидкая фаза; ниже т.В – твердая фаза; участок АВ – двухфазная система.

Участок плавления АВ не всегда является горизонтальным отрезком, так как трудно добиться строго равномерного нагревания капсулы. Для расчетов заменим наклонный участок экспериментальной термограммы горизонтальной линией СD. Продолжим кривые нагревания олова в жидкой и твердой фазах до пересечения с пунктирной прямой в т.С и D. Отрезок СD должен располагаться так, чтобы площади криволинейных треугольников АОD и BOC были равны.

Так как для обратимых процессов приращение энтропии:

, (5)

а изменение энтропии при переходе системы из состояния (a) в состояние (b)

, (6)

то изменение энтропии при нагревании и плавлении олова определяется как сумма изменения энтропии при нагревании до температуры плавления и при плавлении