S=klnW, (6)
где k – постоянная Больцмана. Энтропия является мерой неупорядоченности системы.
2. Экспериментальная часть
Установка собрана по схеме, показанной на рисунке 2. Она состоит из электронагревателя малой мощности 2 (трубчатая муфельная печь), питание которого осуществляется через понижающий трансформатор 3. В стеклянной пробирке находится небольшой кусочек олова известной массы 1. Пробирка закреплена в штативе и может опускаться в нагреватель или подниматься из него. Температуру олова измеряют дифференциальной термопарой. Она состоит из двух термопар, включенных «навстречу» так, что милливольтметр показывает разность термоЭДС. При этом температура t1 «холодного спая» термопары должна быть постоянной и вполне определенной, для чего этот спай термопары рекомендуется погружать в тающий лед. Искомая температура t2 определяется по градуировочному графику этой термопары или с помощью градуировочного коэффициента. Используемая в данной работе термопара в требуемом интервале температур имеет градуировочный коэффициент a =19,5 град/мВ.
Если «холодный» спай термопары находится не в тающем льду, а в воздухе, то к полученным из градуировки результатам необходимо приплюсовать комнатную температуру. В качестве электроизмерительного прибора используется мультиметр, который включается на измерение постоянного напряжения на пределе 200 мV.
В данной лабораторной работе определяется изменение энтропии, происходящее при нагревании и плавлении (или при охлаждении и затвердевании) определенной массы олова.
Возрастание энтропии при нагревании можно объяснить возрастанием энергии колебательного движения атомов олова в кристаллической решетке, что приводит к увеличению возможных микросостояний и, следовательно, к росту энтропии, как меры неупорядоченности системы. При плавлении энтропия системы возрастает дополнительно за счет неупорядоченности пространственного распределения атомов в жидкой фазе.
Если первоначально температура олова равна комнатной, то при подведении теплоты олово сначала нагревается до температуры плавления, потом плавится при постоянной температуре. Изменение энтропии на первом этапе – в процессе нагревания, равно:
(7)
где Тпл - температура плавления, Тн—начальная температура кристаллической фазы, с - удельная теплоемкость олова: с = 2,3 • 102 Дж/(кг ×К), m - масса олова.
На втором этапе - при плавлении, изменение энтропии определяется по формуле:
(8)
где l — удельная теплота плавления (для олова l=5,85×104 Дж/кг).
Полное изменение энтропии равно:
(9)
Эта величина положительна DS >0, если рассматриваемый процесс сопровождается притоком теплоты в систему, т.е. при нагревании и плавлении. При кристаллизации и охлаждении DS<0. Для вычисления DS надо знать параметры, входящие в (9), в частности, необходимо измерить температуру плавления и температуру кристаллизации олова.
Измерения и обработка результатов
1. Изучите описание экспериментальной установки. При работе особое внимание уделить технике безопасности:
· Включайте нагреватель только с разрешения преподавателя.
· Не касайтесь металлических деталей установки во время его работы. Опасайтесь ожогов.
· Прежде, чем производить любые манипуляции с прибором выньте вилку трансформатора из розетки.
2. Подготовьте прибор к работе. Для этого опустите пробирку с оловом в горловину печи. Подключить мультиметр к гнездам термопары, выставив его на 200mV постоянного напряжения.
3. Включите прибор (с разрешения преподавателя). Через каждые 20 –30 секунд записывайте показания мультиметра. Данные заносите в таблицу 1 отчета. Когда милливольтметр покажет 12 – 13 мВ, процесс нагревания остановите, отключив электропечь.
4. Для охлаждения образца поднимите его и отведите в сторону от электропечи. Для этого отверните винт крепления муфты штатива, поверните держатель пробирки и закрепить его в новом положении.
5. Произведите измерения температуры в процессе охлаждения образца. Для этого вновь необходимо отмечать показания милливольтметра через каждые 20-30 секунд. Этот процесс завершите при показаниях милливольтметра 4 – 5 мВ. (таблица 2)
6. Пользуясь градуировочным коэффициентом, переведите показания милливольтметра в градусы Цельсия с учетом комнатной температуры. Заполнить соответствующую строку в таблицах 1 и 2.
7. По полученным результатам постройте графики изменения температуры олова со временем tо=f(t). Желательно, чтобы в верхней части графики нагревания и охлаждения кончались и начинались из одной точки.
8. Вновь включите электропечь и повторно снимите данные для построения кривых нагревания-плавления и кристаллизации-охлаждения олова. Заполнить таблицы 3 и 4. Постройте на прежней координатной сетке новые графики tо=f(t). По горизонтальным участкам всех четырех кривых определите среднее значение температуры фазовых переходов: плавления Тпл и кристаллизации Ткр (по шкале Кельвина).
9. По данным эксперимента, используя выражения (7-9), вычислите:
· Изменение энтропии DS1 данного образца олова при изменении температуры от комнатной до температуры плавления олова.
· Изменение энтропии этого образца DS2 при плавлении олова.
· Полное изменение энтропии в процессе нагревания и плавления образца.
· Изменение энтропии DS3 данного образца олова при кристаллизации образца.
· Изменение энтропии DS4 данного образца олова при охлаждении образца от температуры кристаллизации до конечной температуры.
· Полное изменение энтропии образца при его кристаллизации и охлаждении.
Контрольные вопросы
1. Какими энергетическими превращениями сопровождается процесс плавления? Процесс кристаллизации?
2. Приведите примеры обратимых и необратимых термодинамических процессов.
3. Каков физический смысл «приведенной теплоты»? Почему в необратимых процессах сумма приведенных количеств теплоты не равна нулю?
4. Почему имеет смысл изменение энтропии, а не ее значение?
5. Каков вероятностный смысл понятия энтропия? Приведите примеры.
6. Как рассчитать изменение энтропии при нагревании? При фазовом переходе в веществе?
7. Каков принцип действия термопары? Дифференциальной термопары?
Отчет по лабораторной работе № 5
«Изучение изменения энтропии в неизолированной системе»
выполненной студент . . . . . курса, ...... Ф. И. ...........
группа …. «…»…………. 200...г.
Цель работы: .............................................................................................................................
Масса образца m = .... кг
Удельная теплоемкость олова с = .... Дж/кг×К
Удельная теплота плавления олова l = ... Дж/кг
Комнатная температура tк = ... °С
Таблица 1
|
t, c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U, мВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t°C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2
|
t, c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U, мВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t°C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3
|
t, c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U, мВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t°C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 4
|
t, c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U, мВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t°C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчет изменения энтропии
При нагревании образца: Тн = ... К, Тпл = ... К, DS1 = ... Дж/К
При плавлении образца: Тпл = ... К DS2 = ... Дж/К
Полное изменение при нагревании и плавлении: DS = ... Дж/К
При кристаллизации образца: Ткр = ... К, Тк = ... К, DS3 = ... Дж/К
При охлаждении образца: Ткр = ... К, Тк = ... К, DS4 = ... Дж/К
Полное изменение при кристаллизации и охлаждении: DS = ... Дж/К
Выводы: ………………………………………………………………………………………..
[1] Анализ формулы (13) показывает наличие минимума у периода колебаний при ml2=J0.
[2] Оценка погрешности измерения производится по данным первого опыта с указанием погрешностей всех величин, входящих в расчетную формулу. В окончательный результат вносится среднее по всем опытам значение вязкости.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
