Лабораторная работа № 3мс.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ КРИСТАЛИЗАЦИИ И ИЗМЕНЕНИЯ ЭНТРОПИИ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ОЛОВА.
Всякое тело, имеющее температуру выше окружающей среды, будет охлаждаться, причём скорость охлаждения зависит от теплоемкости тела. Простейшим видом охлаждения является охлаждение в среде с постоянной температурой Тс когда внутри тела в течение всего процесса охлаждения температура в любой точке тела в любой момент времени одинакова. Такой процесс состоит из непрерывной последовательности равновесных состояний и является обратимым.
Количество тепла, отдаваемого за время dt твердым оловом вместе с ампулой после его кристаллизации, будет
(1)
где Т – температура твёрдого олова (.принимается одинаковой во всех точках образца, так как линейные размеры тела малы, а теплопроводность металла велика); С0 и СА – удельная теплоёмкость олова и материала ампулы; m0 и mA – масса олова и ампулы.
Величину dq1 можно подсчитать по закону Ньютона
(2)
где dq1 – тепло, полученное окружающей средой через поверхность ампулы F за время dt; a - коэффициент теплоотдачи с поверхности ампулы в окружающую среду (a=const); Тc – температура окружающей среды.
Тепло, отданное оловом при его кристаллизации за время кристаллизации dtк, будет:
(3)
где lк – теплота кристаллизации (плавления).
Применяя закон сохранения энергии к процессу кристаллизации олова, запишем по закону Ньютона:
(4)
гдеdq2 - теплота, полученная окружающей средой через поверхность ампулы за время кристаллизации dtк; Тк - температура плавления (кристаллизации) олова.
Для определения теплоты кристаллизации lк решаем уравнения (1), (2), (3) и (4) совместно.
(5)
При передачетеплоты Dq от одного тела системы к другому при обратимом процессе температуры обоих тел равны друг другу. Количество теплоты, сообщенной рабочему телу (олову) при бесконечно малом обратимом изменении его состояния
(6)
Изменение энтропии DS в этом процессе определяется по формуле:
(7)
Для определения теплоты кристаллизации lк и изменения энтропии DSк при фазовом переходе на примере кристаллизации олова из расплава при его охлаждении необходимо:
1. Измерить температуру кристаллизации (плавления)олова Т, времени кристаллизации Dtк (тремя плавления).
2. Построить график зависимости температуры остывающего олова от времени его охлаждения q = f(t).
3. Вычислить
производную 
функции q = f(t)
в произвольной точке, соответствующей температуре твёрдого олова в процессе его
охлаждения. Производная находится из графика, построенного по экспериментальным
данным (кривая охлаждения).
Теория измерений и принципиальная
схема установки
Ампула с оловом 1 (рис. 1) нагревается в электрической печи 2, питающейся переменным током. Внутри ампулы находится металлическая трубка – чехол с дифференциальной медь-константановой термопарой 3, горячий спай которой помещен в ампуле, а холодный – на воздухе. Концы термопары через гнезда и медные провода соединены с милливольтметром 4, измеряющим термо-ЭДС. Электрическая печь находится в модуле стенда. Подключение печи к сетевым разъёмам стенда производится вилкой подводящих проводов 5.
1. Выписать данные установки и измерительных приборов.
2. Включить стенд, милливольтметр, электропечь.
3. Проследить за тем, чтобы олово, находящееся в ампуле, расплавилось. Процесс плавления происходит при постоянной температуре Tк. При этом показания милливольтметра практически не изменяются. Окончание процесса плавления можно определить как момент времени, после которого показания, милливольтметра начинает возрастать.
4. Через 1-2 минуты после окончания процесса плавления отключить электропечь, отвернуть винт ползунка 6, поднять ампулу с оловом 1 из печи 2. Зафиксировать положение ампулы тем же винтом 6.
5. Включить секундомер и через каждые 15-20 снимать показания милливольтметра, фиксирующего разность температур олова и окружающей среды q = (T-Tc).
Измерения продолжать до тех пор, пока не будут пройдены 3 области процесса охлаждения: область полного расплава, область кристаллизации и область охлаждения твёрдого олова.
6. Получив 30-40 экспериментальных точек, выключить милливольтметр и стенд.
7. Данные установки и результаты измерений занести в следующие таблицы:
Масса олова |
Масса ампулы |
Удельная теплоемкость олово СО |
Удельная теплоемкость материала ампулы СА |
|
Номер опыта |
e, мв |
q = (T-Tc) |
t |
|
I 2 3 |
8. Построить график зависимости q = f(t).
9. Указать на графике участок, соответствующий остыванию жидкого олова до начала кристаллизации, участок кристаллизации олова и участок охлаждения твёрдого олове.
10. Вычислить производную функции
q = f(t) в произвольной точке,
соответствующей температуре твердого олова в процессе его охлаждения.
11. Рассчитать по формуле (5) скрытую теплоту кристаллизации lк и сравнить её с табличным значением.
12. Определить по формуле (7) изменение энтропии при фазовом переходе.
13. Сделать вывод.
Правила техники безопасности
При проведении эксперимента нужна особая осторожность, так как олово, находящееся в ампуле, помещенной в печь, доводится до плавления. Чтобы вынуть ампулу из печи, а затем зафиксировать ее верхнее положение, необходимо отвернуть и завернуть винт 6 с помощью плоскогубцев, так как винт является достаточно горячим.
Вопросы для допуска к работе
1. Какова цель работы?
2. Какие величины будете измерять непосредственно?
3. Какие физические величины будут рассчитываться по формуле?
4. В каком виде будут представлены результаты?
Вопросы для защиты работы
I. Какое количество тепла отдается за время dt твердым оловомвместе с ампулой после его кристаллизации?
2. Запишите закон Ньютона для теплопередачи. .
3. Что называется скрытой теплотой плавления (кристаллизации)?
4. Как определить изменение энтропии при фазовом переходе при кристаллизациях олова?
5. Нарисуйте график, полученный в работе, и объясните его.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.