Задача работы: Определение температуры и удельной теплоты плавления металлов, оценка приращения энтропии в ходе фазового перехода

Факультет – ФТИ

Кафедра – квантовой физики и нанотехнологий.

Отчет по лабораторной работе № 2.5

по дисциплине: физика (механика).

ИЗУЧЕНИЕ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ПЕРВОГО РОДА

Выполнил:

Марьенко А.

Ларченков П.

Студент группы РДТ 10-1

Приняла:

Доцент кафедры квантовой физики и нанотехнологий

Днепровская Лариса Васильевна

Иркутск-2011

Цель работы: Изучение явления фазового перехода первого рода.

Задача работы: Определение температуры и удельной теплоты плавления металлов, оценка приращения энтропии в ходе фазового перехода.

Результаты измерения.

Мы нагрели олово до температуры равной Т=235⁰

Охлаждения олова.

Т₁=232⁰ Т₂=230⁰ Т₃=230⁰ Т₄=230⁰ Т₅=230⁰ Т₆=229⁰ Т₇=228⁰ Т₈=227⁰ Т₉=227⁰

Т₁₀=225⁰ Т₁₁=223⁰ Т₁₂=219⁰ Т₁₃=215⁰ Т₁₄=211⁰ Т₁₅=207⁰ Т₁₆=203⁰ Т₁₇=199⁰ Т₁₈=197⁰ Т₁₉=194⁰ Т₂₀=191⁰ Т₂₁=187⁰ Т₂₂=184⁰ Т₂₃=181⁰ Т₂₄=178⁰ Т₂₅=175⁰ Т₂₆=172⁰ Т₂₇=169⁰

Т₂₈=167⁰ Т₂₉=165⁰ Т₃₀=162⁰ Т₃₁=160⁰ Т₃₂=158⁰ Т₃₃=155⁰ Т₃₄=153⁰ Т₃₅=151⁰ Т₃₆=149⁰

Т₃₇=147⁰ Т₃₈=146⁰ Т₃₉=144⁰ Т₄₀=142⁰ Т₄₁=140⁰ Т₄₂=138⁰ Т₄₃=137⁰ Т₄₄=135⁰ Т₄₅=133⁰

Т₄₆=132⁰ Т₄₇=130⁰ Т₄₈=129⁰ Т₄₉=127⁰ Т₅₀=126⁰ Т₅₁=124⁰ Т₅₂=123⁰ Т₅₃=122⁰ Т₅₄=120⁰

Т₅₅=119⁰ Т₅₆=118⁰ Т₅₇=116⁰ Т₅₈=115⁰ Т₅₉=114⁰ Т₆₀=113⁰ Т₆₁=112⁰ Т₆₂=110⁰ Т₆₃=109⁰

Т₆₄=108⁰ Т₆₅=107⁰ Т₆₆=106⁰ Т₆₇=105⁰ Т₆₈=104⁰ Т₆₉=103⁰ Т₇₀=102⁰ Т₇₁=101⁰ Т₇₂=100⁰

Т₇₃=99⁰ Т₇₄=98⁰ Т₇₅=98⁰ Т₇₆=97⁰ Т₇₇=96⁰ Т₇₈=95⁰ Т₇₉=94⁰ Т₈₀=93⁰ Т₈₁=92⁰ Т₈₂=92⁰

Т₈₃=91⁰ Т₈₄=90⁰ Т₈₅=89⁰ Т₈₆=89⁰ Т₈₇=88⁰ Т₈₈=87⁰ Т₈₉=86⁰ Т₉₀=86⁰ Т₉₁=85⁰ Т₉₂=84⁰

Т₉₃=84⁰ Т₉₄=83⁰ Т₉₅=82⁰ Т₉₆=82⁰ Т₉₇=81⁰ Т₉₈=80⁰ Т₉₉=80⁰ Т₁₀₀=79⁰ Т₁₀₁=79⁰ Т₁₀₂=78⁰

Т₁₀₃=77⁰ Т₁₀₄=77⁰ Т₁₀₅=76⁰ Т₁₀₆=75⁰

Все показания регистрировали через 15 сек

График зависимости Т = f(t).

Оценим приращение энтропии по формуле:

Т_пл=505, С=230 Дж/кг*К, Т₁=232 С⁰, М=0,15 кг, λ=59000 Дж/кг

ΔS = 42

Вывод: Изучили явления фазового перехода первого рода, определили температуру и удельную теплоту плавления олова, оценили приращение энтропии в ходе фазового перехода.

Контрольные вопросы.

1. Что называется переходом первого рода?

Фазовые переходы бывают двух типов - первого и второго рода. К фазовым переходам первого рода относятся изменение агрегатного состояния вещества: процессы плавления и кристаллизации, испарения и конденсации, сублимации или возгонки, при этом скачком изменяется плотность, внутренняя энергия, энтропия.

2. Что понимается под фазой вещества?

Состояния вещества, между которыми происходит фазовый переход, называется его фазами.

3. Чем отличаются кристаллические твёрдые тела от аморфных твёрдых тел?

В кристалле размером 1 мм повторяющееся расположение атомов встречается сотни тысяч раз. Поэтому к такому расположению атомов применяется термин “дальний порядок”. Большинство твердых тел – являются кристаллическими телами. В обычных условиях они состоят из сросшихся зерен размером порядка 0,001 мм. В таком зернышке отчетливо выражен дальний порядок.

Однако в природе встречаются твердые вещества со сложным молекулярным строением, например, стекла, смолы, пластики, которые не имеют периодической структуры. Это аморфные твердые тела, которые на самом деле являются жидкостями с аномально большой вязкостью. Такие тела приобретают свойство текучести не скачком, а путём постепенного уменьшения вязкости, которое вызывается повышением температуры. Аморфные твердые тела противопоставляются кристаллам, которые имеют форму правильного многогранника. Следует подчеркнуть, что кристалличность не обязательно проявляется в особенностях их внешней формы, это структура решетки (кусок металла не имеет правильной формы, но не является аморфным).

4. Что происходит при плавлении твёрдых кристаллических тел и аморфных тел?

Каков же основной признак кристаллов? Этим признаком является наличие резко выраженной температуры плавления. Если подводить тепло к кристаллическому телу, то температура его будет повышаться до тех пор, пока не начнёт плавиться. После чего подъем температуры прекратится, и весь процесс плавления будет происходить при строго определённой постоянной температуре, называемой температурой плавления Т_пл.

На рис.2 изображены схемы строения кварца и кварцевого стекла. Одно и тоже в химическом отношении вещество, но одно в кристаллическом, другое в аморфном виде. Характер окружения ближайшими соседями в обоих случаях одинаков, но в аморфном теле отсутствует дальний порядок; аморфное тело – это “испорченный кристалл”. Отсутствие дальнего порядка, характерного признака кристаллических тел, является непосредственной причиной отсутствия выраженной точки плавления. В точке плавления совершается переход, при котором дальний порядок исчезает и решетка распадается на легкоподвижные субмикроскопические области, имеющие то же расположение атомов, что и исходный кристалл, но статически беспорядочно ориентированные друг относительно друга, остаётся лишь ближний порядок в расположении атомов.

В аморфных телах при повышении температуры характер расположения атомов не меняется, увеличивается их подвижность, атомы с увеличением температуры “выскальзывают” из своего окружения, меняя соседей. Наконец, число таких перемен в секунду становится таким же большим как для жидкости.

5. В чём суть метода определения удельной теплоты плавления металлов?

Металлы начинают плавиться только тогда, когда начинает разрушаться их кристаллическая решетка, на что также необходимо затрачивать энергию. Эта энергия называется скрытой теплотой плавления. Теплота плавления, отнесённая к массе вещества, называется удельной скрытой теплотой плавления.

6. Запишите математическое выражение второго начала термодинамики.

Обобщённая формулировка второго начала термодинамики читается так: “полная энтропия произвольной системы вместе с её окружением в любых естественных процессах увеличивается, т. е. DS>0.

Рассмотрим процесс плавления металла. Процесс передачи тепла является необратимым, поэтому выражение второго начала термодинамики следует использовать в форме . Как же тогда вычислить величину приращения энтропии для реального необратимого процесса – плавления металла? Энтропия является функцией состояния, поэтому для оценки DS можно использовать выражение для какого-либо обратимого процесса, т. к. когда тела вошли в тепловой контакт, то начальное и конечное состояния каждого тела одинаковы.

7. В чём заключается физический смысл понятия энтропии?

Физический смысл понятия “энтропия” был раскрыт Больцманом в выражении S=klnW, где k – постоянная Больцмана, W – количество микросостояний, соответствующих данному макросостоянию системы (стат. вес).

8. Как объяснить приращение энтропии при плавлении металла?

Когда металл при плавлении превращается в жидкость, энтропия жидкого металла увеличивается. В твёрдом состоянии его структура более упорядочена, чем в жидком, где он может растекаться, т. е. упорядоченное расположение металла в кристаллической решётке сменилось неупорядоченным, в известной мере, случайным движением молекул в жидком состоянии. Таким образом, процессы плавления металла сопровождаются приращением энтропии.