ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 171 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ, УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ И

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 171
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ, УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ И
УДЕЛЬНОЙ ЭНТРОПИИ ПЛАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛА.
Цель и содержание работы
Целью работы является ознакомление с особенностями процесса плавления металла и измерениями температуры с помощью термопары. Работа состоят в определении зависимости температуры образца от времени в определении на этой основе характеристик
процесса плавления.
Краткая теория работы
При плавления кристаллического вещества энергия, подводимая в форме тепла,
расходуется на разрушение кристаллической решётки. Поэтому до полного разрушения
решетки температура образца не меняется, несмотря на подводимую энергию. Энергия,
необходимая для плавления единицы массы вещества, взятого при температуре плавления
Tпл , называется удельной теплотой плавленая и обозначается обычно греческой буквой λ .
Если производить нагревание образца из вещества, находящегося первоначально в
кристаллическом состоянии, и затем построить график зависимости температуры образца
T от количества подведенной к нему энергий Q , то на этом графике появится горизон-
тальный участок "плато" при температуре, равной температуре плавления Tпл (см. рис. 1).
T
Tпл
Q
∆Q = λm
Рис. 1. Зависимость температуры образца, первоначально находившегося
в кристаллическом состоянии, от подведенной энергии (теплоты).
Длина горизонтального участка равна полной теплоте плавления образца ∆Q = λm , где
m – масса образца. Таким образом, определив длину горизонтального участка, можно определить удельную теплоту плавления:
λ=
∆Q
.
m
(1)
Следует отметить, что у некоторых твердых веществ (например, стекла) не образуется кристаллическая решетка. Поэтому график зависимости температуры этих (аморфных) веществ при плавлении от подведенной энергии является гладким, то есть не имеет
изломов и горизонтального участка.
Еще одной полезной характеристикой вещества является удельная энтропия плавления. Энтропия является мерой неупорядоченности в системе. Изменение энтропии определяется в термодинамике выражением:
2
dQ
,
T
1
∆S12 = ∫
(2)
где dQ – энергия, передаваемая системе в форме тепла при обратимом процессе (квазиравновесном).
Поскольку в процессе плавленая кристаллического образца его температура равна
температуре плавления, для энтропии плавления получаем из (2):
2
1
∆Q
dQ =
∫
Tпл 1
Tпл
(3)
∆Sпл
∆Q
λ
=
=
.
m
mTпл Tпл
(4)
∆Sпл =
и для удельной энтропии плавления
∆Sпл =
Все металлы, кроме ртути, при нормальных условиях представляют из себя кристаллы. В настоящей работе проводится определение температуры, удельной теплоты и
удельной энтропии плавления металлического образца.
Приборы, необходимые для выполнения работы
1. Электрическая печь с помещенным внутрь металлическим образцом (Сплав Вуда).
2. Термометр термопарный с милливольтметром.
3. Секундомер или часы с секундной стрелкой.
Порядок выполнения работы
Включить кнопку "нагрев" печи с одновременным включением секундомера (или
отметкой времени по часам). Снимать показания милливольтметра через каждые 30 секунд или другой промежуток времени заданный преподавателем и записывать их в таблицу. Сразу, после того как значение милливольтметра превысит 500 мВ выключить
нагрев!
№ измерения
Показания
милливольтметра, мВ
Время, с
Температура
образца Т, К
1
2
3
...
30
1. Записать температуру воздуха в лаборатории Tком = t ком + 273 .
2. По градуировочному графику, приложенному к установке, определить температуру образца в каждый момент времени.
3. Записать полезную мощность печи P и массу образца m , указанные на установке.
Обработка результатов измерений.
1. Построить на миллиметровой бумаге график зависимости температуры образца T (К)
от времени t (с). При построении графика обратить внимание на выбор масштабов по
обеим осям. Ось T разумно начать с температуры 273 К (0°С) или Tком приблизительно
равной 293 К (20°С).
2. На графике выделить «плато» – участок почти неизменной температуры. Определить
температуру Tпл и промежуток времени от начала до конца горизонтального участка.
3. Подсчитать по формуле (1) удельную теплоту плавления, считая, что подведенная к образцу энергия ∆Q = P ⋅ t .
4. Подсчитать удельную энтропию плавления по формуле (4).
Контрольные вопросы
1. Почему участки графика на рисунке, расположенные справа и слева от «плато», имеют
вид наклоненных прямых? Чему равен тангенс угла наклона для этих участков?
2. Как примерно будет выглядеть зависимость температуры от подведенной энергии для
некристаллического (аморфного) вещества?
3. Чему равно изменение энтропии S некоторого количества газа при процессе в теплоизолированном сосуде (так называемом адиабатическом процессе)?
4. Как подсчитать изменение энтропии образца массы m из вещества с удельной теплоемкостью c при нагревании его от T1 до T2 ( T1 , T2 < Tпл )?
5. Какое количество энергии необходимо подвести к ледяному образцу массы m
при
начальной температуре T1 < Tпл , чтобы полностью превратить его в воду? Удельная теплоемкость c и теплота плавления λ известны. Как подсчитать изменение энтропии образца
в этом процессе?
6. Чему равно изменение энтропии некоторого количества одноатомного газа при его изотермическом ( T = const ) расширении от объема V1 до объема V 2 ?
7. Как связаны абсолютная температура и средняя кинетическая энергия молекул любого
вещества?
8. Как подсчитать удельную энтропию испарения Sисп некоторого вещества, зная его
температуру кипения Tкип и удельную теплоту парообразования q ?
9. Если подавляющее большинство металлов находится при нормальных условиях в кристаллическом состоянии, почему у металлических деталей не заметна разница свойств по
разным направлениям (анизотропия), характерная для кристаллической решетки?
10. Поясните определение энтропии как меры неупорядоченности системы на примере
наиболее вероятного и имеющего наибольшую энтропию распределения молекул двух газов по сосуду, где они содержатся.
Литература
Савельев И.В. Курс общей физики. т. 1.