И изменения энтропии при кристаллизации

Определение удельной теплоты кристаллизации олова

Обработка результатов измерений

И определение температуры плавления олова

Снятие зависимости температуры нагрева олова от времени

Описание установки

Ампула с оловом нагревается в электрической печи, питающейся переменным током. Внутри ампулы находится металлическая трубка-чехол с дифференциальной медь-константановой термопарой, горячий спай которой находится в ампуле, а холодный - на воздухе. Концы термопары через гнезда и медные провода соединены с милливольтметром, измеряющим термо-ЭДС. Электрическая печь находится внутри стенда. В работе измеряются следующие величины: температура плавления Т_п и температура кристаллизации Т_к олова, время кристаллизации ∆τ_к, зависимость температуры олова от времени при нагревании и охлаждении Т = f(τ).

Сравнить Т_п олова с табличным значением Т_п = 505 К, оценить погрешность ∆Т_п.

Порядок выполнения работы

1. Измерить начальную температуру Т_с комнатным термометром.

2. Включить печь, секундомер, милливольтметр. Записывать в табл.6.1 показания милливольтметра через каждые 20 с. Нагревать до тех пор, пока термо-ЭДС не достигнет постоянной величины, а затем не начнет увеличиваться.

3. Выключить печь, отвернуть винт ползунка и поднять ампулу с оловом. Аналогичные измерения снять при охлаждении олова в течение 10 минут.

Таблица 6.1

τ, с
U,мВ
Т, К

1. Построить график зависимости термо-ЭДС от времени U = f(t). По двум полученным кривым определить показания милливольтметра, соответствующие участкам кривых, параллельным оси времени, и по их среднему значению найти температуру плавления Т_п, используя градуировочный график термопары.

2. Вычислить приращение энтропии при нагревании и плавлении олова по формуле (6.1). Масса олова задана, а удельную теплоемкость и удельную теплоту плавления олова взять из таблиц.

Применяя закон сохранения энергии к процессу охлаждения твердого олова после кристаллизации, запишем

(C_оm_о + C_аm_а)dT + α F (T - T_с)dτ = 0, (6.2)

где dQ = (C_оm_о + C_аm_а) dT - количество теплоты, отданное оловом и ампулой за время dτ, α F (T - T_с)dτ - количество теплоты, полученное окружающей средой через площадь поверхности ампулы F за время dτ; С_о и С_а - удельные теплоемкости олова и материала ампулы; T – температура твердого олова; Т_с - температура окружающей среды;α – коэффициент теплоотдачи с поверхности ампулы в окружающую среду (считаем ее постоянной).

Применим закон сохранения энергии к процессу кристаллизации олова:

λ_кm_о + α F (T_к - T_с)∆τ_к = 0, (6.3)

где λ_кm_о - количество теплоты, отданное оловом при его кристаллизации за время кристаллизации ∆τ_к; α F (T_к - T_с) - теплота, полученная окружающей средой через поверхность ампулы за время кристаллизации.

Из формул (6.2) и (6.3) и определения изменения энтропии

, (6.4)

, (6.5)

Следовательно, для определения удельной теплоты кристаллизации λ_к и ∆S_к - изменения энтропии в этом процессе необходимо измерить Т_к и ∆τ_к, и вычислить производную функции Q = f(τ) в произвольной точке, соответствующей температуре твердого олова в процессе его охлаждения. Производная находится из графика, построенного по экспериментальным данным (кривая охлаждения).

Порядок выполнения задания 2

1. Измерить начальную температуру Т_с комнатным термометром.

2. Включить печь, секундомер, милливольтметр. Нагревать ампулу с оловом до тех пор, пока термо-ЭДС не достигнет постоянной величины, а затем начнет увеличиваться.

3. Выключить печь, отвернуть винт ползунка и поднять ампулу с оловом.

4. Измерить значения термо-ЭДС при охлаждении олова. Интервал времени охлаждения ∆τ взять равным 20 с. Время наблюдения 15 мин.

5. Измеренные значения термо-ЭДС U и время τ занести в табл. 6.1.

6. По значениям U и градуировочному графику найти значения температур Т, занести в табл. 6.1.

7. Построить график зависимости U(τ). Количество точек можно уменьшить, но как можно точнее зафиксировать начало и конец кристаллизации.

8. Рассчитать Q = T – T_c по данным охлаждения твердого олова. Занести эти значения в табл. 6.2 (не менее 10 значений).

Таблица 6.2

τ, с
Q=T-Tc,К

9. Построить график зависимости Q = f(τ), используя данные таблицы 6.2.

10. Найти из графика производную в произвольной точке.

11. Рассчитать λк и ∆S_к по формулам 6.4 и 6.5.

12. Сделать выводы.

Контрольные вопросы

1. Какими параметрами определяется состояние системы?

2. Какой процесс называется обратимым?

3. Какое состояние системы называется равновесным?

4. Что называется функцией состояния? Приведите пример такой функции.

5. Что называется циклом? Из каких процессов состоит цикл Карно?

6. Как изменяется энтропия замкнутой системы при процессах 1) обратимом, 2) необратимом?

7. Что характеризует энтропия в молекулярно-кинетической теории? Единица измерения энтропии.

8. Каким соотношением связаны между собой энтропия S и вероятность W состояния системы?

9. Что называется фазой? Привести примеры различных фаз.

10. Что называется фазовым переходом? Плавление и кристаллизация. Удельная теплота плавления.

11. При каких процессах, происходящих в данной работе, энтропия возрастает, а при каких уменьшается? Почему?

12. Примените закон сохранения энергии при охлаждении и кристаллизации олова.

13. Чему равно изменение энтропии при нагревании и плавлении олова?

Литература: [1] - [5].

Дата добавления: 2015-07-02