Определение удельной теплоты плавления и изменения энтропии при нагревании и плавлении металла (Лабораторная работа № 1)

Лабораторная  работа № 1

Определение  удельной  теплоты  плавления и

изменения энтропии при  нагревании и плавлении металла.

Цель работы: определение удельной теплоты плавления и приращения энтропии при фазовом переходе первого рода на примере

плавления олова.

    Приборы и принадлежности: установка, весы, термопара, олово, гальванометр М 1105, весы. 

1.  Теоретические  сведения

Фазовый переход первого рода – фазовое превращение, сопровождающееся поглощением или выделением некоторого количества теплоты и изменением удельного объема, температура перехода остается постоянной и зависит от давления.

   Удельной теплотой плавления называется количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг тела, чтобы его расплавить при температуре плавления

                                                  (1)

Количество теплоты, которое пойдет на нагревание, плавление и кристаллизацию можно вывести из уравнения  теплового баланса. Данный метод определения удельной теплоты плавления основан на том, что средняя скорость выделения теплоты при кристаллизации олова равна скорости теплоотдачи в окружающую среду, то есть

                                                                                  (2)

где  m₁ – масса олова,t -- время кристаллизации, --скорость теплоотдачи.

   Из формулы (2) следует, что удельная  теплота плавления равна

                                        (3)

   При кристаллизации металла температура не изменяется, поэтому скорость теплоотдачи в этот период может быть непосредственно измерена по изменению температуры тела. Чтобы определить скорость теплоотдачи при кристаллизации, необходимо построить графики зависимости скоростей охлаждения олова от температуры олова при его охлаждении до начала кристаллизации и последующем охлаждении после затвердения. Затем,  экстраполируя графики на температуру  плавления, можно получить скорость теплоотдачи тела на стадии его  кристаллизации, так как по закону Ньютона скорость теплоотдачи при прочих условиях зависит только от разности температур между нагретым телом и окружающей средой. Скорость теплоотдачи с учетом  уравнения теплового  баланса будет равна:

  (4)

где m -- масса тела, c -- удельная теплоемкость тигля, c^/  и c^//    -- удельные теплоемкости жидкого и твердого олова,   и  -- скорости охлаждения до и после затвердевания.

Из уравнений  (3) и (4) получим

    (5)

ОПИСАНИЕ  УСТАНОВКИ

Схема установки представлена на рис. 1.1. Установка состоит из штатива Ш, столика В с керамической прокладкой, на который ставится тигель Т с расплавленным и нагретым оловом. Термопара С вводится  в жидкий металл.  Показания снимаются по миллиамперметру М. Используя градуировочный график термопары, определяют температуру металла.

3. ПОДГОТОВКА И ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ.

УПРАЖНЕНИЕ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ ПЛАВЛЕНИЯ ОЛОВА.

1. Взвесить массу тигля m

  и массу олова m₁ .

2.  Поместить тигель Т с оловом на электроплитку. Включить электроплитку.

3.  Тигель Т с оловом нагреть до температуры 300 …350⁰С, затем специальными щипцами осторожно перенести на столик В, устланный керамической прокладкой, и опустить в жидкое олово термопару С.

4.  Через каждые 20 секунд записать показания гальванометра. Измерения                                           производить до 110 ⁰С. Диапазон температур оценивается по градуировочному графику.

5.  Определив из градуировочного графика термопары значения температур, соответствующие показаниям гальванометра,  построить график зависимости  для всего диапазона охлаждения металла.

6.  Из полученногo графика   определить время кристаллизации t_кр .

7.  Построить график зависимости скорости охлаждения образца от температуры   

    на стадиях жидкого и твердого металла.

8.  Экстраполируя полученные графики на температуру плавления Т_пл, определить соответствующие скорости охлаждения жидкого   и твердого    металла.

9.  Полученные значения скоростей охлаждения подставить в формулу (5) и рассчитать удельную теплоту плавления металла.

10. Результаты измерений занести в таблицу№ 1.1

                                                                                                   Таблица № 1.1

t, c	n, дел	Т, 0С	0С/c	Тср, 0С	0C/c	Тср,     0С	0C/c	0C/c	, Дж/кг
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10

УПРАЖНЕНИЕ  № 2.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ИЗМЕНЕНИЯ   ЭНТРОПИИ   ПРИ            НАГРЕВАНИИ  И ПЛАВЛЕНИИ  МЕТАЛЛА.

Для определения изменения энтропии необходимо измерить температуру фазового перехода – температуру плавления металла, что позволит определить приращение энтропии.

Так как для обратимых процессов приращение энтропии   , а изменение энтропии при переходе системы из состояния А в состояние В

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

                                    или

                                                  (6)

где -- бесконечно малое количество теплоты, передаваемой системе при температуре Т,  и  --бесконечно малое количество теплоты полученное маталлом при нагревании до температуры плавления и при плавлении соответственно, Тк –комнатная температура, Тпл –температура плавления, l-удельная теплота плавления, с –удельная теплоемкость, m – масса металла.

Для определения изменения энтропии все данные взять из упражнения № 1.

Контрольные вопросы

1.  Что называется удельной теплотой плавления.

2.  Составить уравнение теплового баланса для данной работы.

3.  Объяснить процесс явления «оловянная чума».

4.  Физический смысл энтропии.