Описание лабораторной установки. Определение теплоты кристаллизации олова и изменения энтропии при фазовом переходе I рода

Подготовка к работе

Цель работы

Определение теплоты кристаллизации олова и изменения энтропии при фазовом переходе I рода.

Прочитать в учебниках следующие параграфы: [1] – §§ 12.3, [2] – §§ 73, 75, [4] – §§ 111, 112, 120. Для выполнения работы студент должен знать: а) фазовые переходы I и II рода; б) физический и статистический смысл энтропии и характер её изменения в различных системах; в) уметь пользоваться измерительными приборами.

3. Выполнение работы

Принципиальная схема установки показана на рис. 7.1. Спай дифференциальной термопары 2 находится в окружающей среде с постоянной температурой Т ₀, а спай 1 находится в ампуле с оловом при температуре Т. Так как термопары включены навстречу друг другу, то милливольтметр показывает термоЭДС, пропорциональную разности температур . Ампула с оловом нагревается в электрической печи.

Конструктивно установка состоит (рис. 7.2) из модуля стенда I и измерительного модуля II, размещенных в унифицированных корпусах.

В модуле стенда находится ампула с оловом, которая нагревается в электрической печи, питающейся переменным током. Внутри ампулы находится металлическая трубка-чехол с дифференциальной хромель-копелевой термопарой. Таким образом горячий спай находится в ампуле, а холодный - на воздухе. Выводы термопары соединены с гнездами 2 на лицевой панели стенда. На лицевой панели также расположено окно, в котором на вертикальной штанге установлен ползун, жестко соединенный с ампулой с оловом. Ползун фиксируется на штанге с помощью винта 1. Если, отвернув винт ползуна, опустить ползун вниз до упора, то ампула с оловом опустится в печь. Если же поднять ползун вверх до упора и зафиксировать винтом, то ампула с оловом будет находиться вне печи.

На лицевой панели модуля II измерительного стенда расположен мультиметр, милливольтметр которого соединяется с выходными гнездами 2 модуля I.

3.2. Методика измерений и расчёта

Переход твердого вещества в жидкое состояние (плавление) и обратный переход (кристаллизация) относятся к фазовым переходам первого рода, при которых скачком изменяются плотность, внутренняя энергия, энтропия тела. При этом поглощается (при плавлении) или выделяется (при кристаллизации) энергия, называемая теплотой плавления (кристаллизации).

Одним из возможных способов измерения температуры и теплоты плавления (кристаллизации) является получение диаграммы плавления (или отвердевания), т. е. кривой зависимости температуры Т исследуемого вещества от времени t при неизменных внешних условиях. Эта кривая качественно показана на рис. 7.3. Левая возрастающая часть показывает нагревание твердого образца и ампулы, а правая нагревание расплава и ампулы. Тепловая мощность на любом из этих участков равна изменению внутренней энергии системы в единицу времени:

, (7.1)

где m – масса олова; m ₁ – масса ампулы; с – удельная теплоемкость олова; с₁ – удельная теплоемкость ампулы; – скорость изменения температуры системы.

Горизонтальный участок на рис. 7.3 соответствует процессу плавления металла. Ордината его – температура плавления, а длина горизонтального участка соответствует времени фазового перехода t _ф.п.. Для этого случая закон сохранения энергии может быть записан следующим образом:

, (7.2)

где l – удельная теплота плавления олова.

Исключив N из формул (7.1) и (7.2), найдем:

. (7.3)

Следовательно, для определения теплоты кристаллизации (плавления) l в рассматриваемом процессе необходимо измерить Т _пл и t _ф.п., вычислить производную функции в произвольной точке, соответствующей температуре твердого олова в процессе его нагревания (охлаждения). Производная находится из графика, построенного по экспериментальным данным (кривая охлаждения), а скорость охлаждения образца приблизительно равна:

. (7.4)

Дата добавления: 2014-12-16