МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ (МЕХАНИКА И ТЕРМОДИНАМИКА) (стр. 5 из 12)

Теоретическое введение

Сильное нагревание твердого тела может привести к разрушению его кристаллической решетки и к переходу вещества из твердой фазы в жидкую. Фазовое превращение, сопровождающееся поглощением или выделением количества теплоты и изменением удельного объема (объема, занимаемого единицей массы), называется фазовым переходом первого роди. Плавление (переход вещества из твердого состояния в жидкое) и обратный процесс (кристаллизация) для многих кристаллических веществ является фазовым переходом первого рода. Такой переход всегда изотермичен. Во время фазового переходе сохраняется .двухфазное состояние (например, жидкое и твердое), но плавно меняется соотношение масс каждой фазы. Температура перехода зависит от давления. Если при определенном давлении сообщать твердому телу за равные малые промежутки времени одинаковое количество тепла Q, то абсолютная температура тела будет изменяться в соответствии с графиком рис.5. Участок AB представляет собой нагревание твердого тела до температуры плавления Т_n .

Для кристаллических тел в точке 6 прекращается дальнейшее повышение температуры. Изотермический участок ВС характеризует переход тела из твердого состояния в жидкое и соответствует одновременному существованию двух фаз: твердой и жидкой. На участке BС при плавлении телом поглощается определенное количество теплоты при постоянной температуре. Это количество теплоты, рассчитанное на единицу массы тела, называется удельной теплотой плавления r_п . Обозначим через U_Ж и U_Твнутренние анергии единицы массы вещества в точках С и B , соответствующих жидкой и твердой фазам и через V_ж и V_T - удельные объемы жидкости и твердого тела. Тогда по первому закону термодинамики удельная теплота плавления может быть выражена так:

где р - постоянное давление, при котором совершается фазовый переход.

Для фазовых переходов первого рода можно рассчитать изменение энтропии по формуле Клаузиуса

В данном случае

где т - масса тела. Знак "+" соответствует поглощению телом количества теплоты (плавлению), знак "-" - кристаллизации, которая сопровождается выделением количества теплоты.

Процесс плавления представляет совой переход вещества из более упорядоченного кристаллического состояния в менее упорядоченное - жидкое. По второму закону термодинамики такой переход должен сопровождаться возрастанием энтропии вещества.

При охлаждении большинства жидкостей до некоторой температуры, зависящей от давления и состава жидкости, начинается процесс кристаллизации - перехода вещества из жидкой фазы в твердую. Он связан с выделением теплоты, равной теплоте плавления, и для химически чистых жидкостей протекает при постоянной температуре, равной температуре плавления.

Качественно процесс кристаллизации, как и процесс плавления, можно объяснить изменением характера теплового движения частиц вещества. Под влиянием сил взаимного притяжения между частицами их движение при охлаждении вещества в конце концов превращается в хаотические тепловые колебания около некоторых неизменных средних положений - узлов кристаллической решетки.

Зависимость температуры плавления твердых тел от давления показана на графике рис.6 (кривая плавления). Это кривая равновесия двухфазной системы твердое тело - жидкость, разделяющая друг от друга области существования твердой и жидкой фаз. Другой разновидностью фазового переходи первого рода является переход вещества из жидкой фазы в газообразную и обратно.

Фазовые переходы второго рода не связаны с поглощением или выделением теплоты фазового перехода. При этих переходах скачком изменяются какие-либо из параметров системы - теплоемкость, коэффициент теплового расширения и некоторые другие характеристики вещества. Пример такого перехода - превращение ферромагнетика в парамагнетик в точке Кюри.

Описание лабораторной установки

На лабораторной установке (рис.7) тигель 3 с рабочим веществом 4 установлен над нагревателем 2. На штативе 5 укреплена термопара 1. Термопара представляет собой два спаянных проводника из разных металлов. Если спаи 12 и II имеют разную температуру, то на концах термопары (клеммы 8) возникает термоЭДС Е . Один конец термопары (12) погружен в нагреваемое рабочее вещество (металл), а другой (11) - имеет температуру окружающего воздуха T₁, измеряемую термометром 9. ТермоЭДС прямо пропорциональна разности температур горячего T₂ и холодного T₁ спаев

Коэффициент пропорциональности

определяется по градуировочной кривой термопары (рис. 8). Величина термоЭДС измеряется цифровым вольтметром 10 через равные промежутки времени после нагревания тигля с рабочим веществом, а также при охлаждении рабочего вещества. Температура Т₂, вычисляется по формуле T₂ = ∆T + T_1.

Порядок выполнения работы

1. Соединить проводниками клеммы 8 термопары со входом цифрового вольтметра. Положить в нагреватель не более четверти таблетки сухого горючего. Включить цифровой вольтметр.

2. Зажечь сухое горючее, включить секундомер и производить измерение ЭДС через каждые 10 с.

3. После того как будет отмечено несколько одинаковых значений ЭДС (соответствующих плавлению металла), продолжать измерения, пока температура не начнет устойчиво повышаться. Через 3-4 измерения потушить (задуть) сухое горючее.

4. Снять кривую охлаждения. Для этого измерять Е, через каждые 10 с по мере охлаждения металла.

5. По графику градуировки термопары определить разность температур ∆Т для каждого значения ЭДС при плавлении и кристаллизации металла.

6. Определить комнатную температуру T₁ и, прибавив ее к значениям ∆T , полученным из графика, найти и записать температуру металла, соответствующую каждому измерению.

7. Построить графики зависимости температуры T металла от времени при плавлении и кристаллизации.

8. По графикам определить среднюю температуру плавления и кристаллизации.

9. По температуре плавления и данным табл.2 идентифицировать рабочее вещество и найти его удельную теплоту плавления.

10. По формуле (39) определить теплоту плавления для данной массы рабочего вещества (m = 85 г) и, используя соотношение (38), вычислить изменение энтропии фазового перехода для случая плавления и кристаллизации.

II. Определить погрешности изменения энтропии.

Таблица 2

Металл	Тпл, К	rn, кДж/кг
I. Алюминий	931,1	396,79
2. Висмут	542	54,4
3. Олово	504,86	61,12
4. Свинец	600,4	20,93
5. Серебро	1233	92,09
6. Сурьма	903,5	101,72
7. Цинк	692,5	111.35
8. Сплав: олово 61 %,
свинец 39 %	427	45.44
9. Сплав: олово 40 %,
свинец 60 %	611	37
10. Сплав: олово 30 %,
свинец 70 %	525	33

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется фазовым переходом первого рода, второго рода?

2. Что называется плавлением и кристаллизацией твердых тел.

3. Раскройте сущность физического смысла изменения энтропии при плавлении и кристаллизации твердых тел.

4. Какие системы называют гомогенными и гетерогенными? Что называется фазой в термодинамике?

5. Объясните ход температурной кривой при плавлении и кристаллизации?

6. Что называется удельной теплотой плавления твердого тела? Как она определяется?

7. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ МЕТАЛЛА

Цель работы

Определить сопротивление не нагретой и нагретой металлической проволоки, ее удлинение при нагревании и коэффициент линейного расширения.

Приборы и принадлежности

Нихромовая проволока (Ni 90 %, Сr 10 %), источник питания постоянного тока, вольтметр, амперметр, пружина, шкала для измерения длины проволоки.

Теоретическое введение

Опыт показывает, что с повышением температуры происходит расширение твердя тел, называемое тепловым расширением. Для характеристики этого явления введены коэффициенты линейного и объемного расширения. Пусть l₀ - длина тела при температуре 0 ˚С. Удлинение этого тела ∆l при нагревании его до температуры t°С пропорционально первоначальной длине l₀ и температуре: