Лабораторный журнал, часть IV (Лабораторный журнал по физике 4 семестр), страница 3

где dQ – бесконечно малое количество тепла, сообщенное системе, Т – температура системы. Изменение энтропии в обратимом процессе теплообмена . (2)

Если процесс необратимый, то dS > dQ/T, (3)

если система теплоизолирована, то и . (4)

Это соотношение, устанавливающее направление теплообмена, можно сформулировать как второе начало термодинамики: в изолированных системах энтропия либо остается постоянной, либо возрастает при необратимых процессах.

Если система обменивается теплом с окружающей средой, то по знаку изменения энтропии судят о направлении теплообмена. Из формулы (1) видно, что dS и dQ имеют одинаковый знак, поэтому при нагревании энтропия системы возрастает ( ), а при охлаждении – убывает ( ). При нагревании твердого тела, его температура будет увеличиваться от комнатной T₀ до температуры плавления , затем вещество будет плавиться, т.е. переходить из твердого состояния в жидкое (при этом температура его не изменяется). Далее нагреваться будет жидкость. График зависимости температуры нагреваемого тела от времени τ будет состоять из трех участков: двух наклонных линейных участков и одного горизонтального (рис.1). Горизонтальный участок («плато») соответствует процессу плавления тела. При этом энергия нагрева расходуется на разрушение кристаллической решетки. Поэтому до полного разрушения всей решетки и перехода в жидкое состояние температура образца не меняется, несмотря на подводимую энергию. Чтобы нагреть тело массой m от температуры до температуры необходимо сообщить ему количество теплоты (5)

где c – удельная теплоемкость вещества (количество теплоты, необходимое для нагревания одного килограмма вещества на один градус Кельвина (Дж/(кг×К)). В данной работе используется малый объем плавящегося вещества, поэтому в процессе нагревания по всему объему успевает установиться равновесное состояние. Поэтому процесс можно считать обратимым и воспользоваться формулой (2). Приращение энтропии при нагревании от комнатной температуры до температуры плавления с учетом (5) равно

(6)

Чтобы расплавить тело массой m, нагретое до температуры плавления, необходимо сообщить ему количество теплоты

(7)

где λ – удельная теплота плавления (количество теплоты, которое необходимо чтобы расплавить один килограмм вещества, нагретого до температуры плавления Дж/кг). Приращение энтропия в процессе плавления с учетом (2), (7) равно

(8)

Суммарное изменение энтропии в процессе нагревания и плавления (9)

Теплоемкость моля химически простых (одноатомных) тел в кристаллическом состоянии одинакова и равна 3R (закон Дюлонга и Пти). Следовательно, чтобы нагреть некоторое количество вещества необходимо количество теплоты

(10)

где М – молярная масса вещества, и соответственно начальная и конечная температура тела. Сравнивая (5) и (10) для химически простых тел получим с = 3R/М. (11)

3. Экспериментальная часть

3.1. Краткое описание экспериментальной установки.

Рис. 2.

На рис. 2 приведена схема установки: 1 – приборный блок; 2 – блок РЭ-11; 3 – стойка; 4 – кронштейн; 5 – стакан с исследуемым материалом (оловом) и нагревателем; 6 – датчик температуры; 7 – цифровой индикатор температуры; 8 – цифровой таймер; 9 – регулятор мощности; 10, 11 – вольтметр и амперметр; 12, 13 – тумблеры для включения нагрева и питания.

3.2. Методика проведения эксперимента

1. Подать на установку питание, включив тумблер 13 СЕТЬ.

2. Включить модуль НАГРЕВ тумблером 12. Регулятором 9 установить заданную мощность нагрева.

3. Контролировать температуру нагрева олова, ток и напряжение по приборам 7, 10 и 11. Для отсчета временных интервалов можно использовать встроенный таймер 8.

4. Включить кнопку «нагрев» печи с одновременным включением секундомера. Снимать показания со шкалы милливольтметра через 30 секунд в течение 25-30 минут. Данные занести в табл. 1. Цифры показывают значения времени в минутах.

Таблица 1.

0.5		6.5		12.5		18.5		24.5
1		7		13		19		25
1.5		7.5		13.5		19.5		25.5
2		8		14		20		26
2.5		8.5		14.5		20.5		26.5
3		9		15		21		27
3.5		9.5		15.5		21.5		27.5
4		10		16		22		28
4.5		10.5		16.5		22.5		28.5
5		11		17		23		29
5.5		11.5		17.5		23.5		29.5
6		12		18		24		30

3.3. Обработка результатов измерений.

Т,К

τ,мин

3.3.1. По данным таблицы построить график зависимости и выделить горизонтальный участок, где температура не меняется. Этот участок соответствует процессу плавления при температуре . Определить по графику эту температуру.

3.3.2. По графику определить экспериментальное значение удельной теплоемкости, выразив ее из формулы (5)

(12)

где U – напряжение нагревателя (показания вольтметра 10 на установке рис.2) I – сила тока нагревателя (показания амперметра 11 на установке рис.2), h – к.п.д. показывает какая доля от подаваемой мощности идет непосредственно на нагрев образца h=0.4, Р=UI – тепловая мощность печи, используемой в лабораторной установке, m – масса нагреваемого вещества (m=0.15 кг), – начальное значение абсолютной температуры, – время нагрева до температуры плавления (в секундах). По формуле (11) вычислить теоретическое значение удельной теплоемкости (молярная масса олова 0.119 кг/моль).

3.3.3. По графику определить экспериментальное значение удельной теплоты плавления, выразив ее из формулы (7)

(13)

где – время плавления образца (длина горизонтального участка в секундах).

3.3.4. По формулам (6), (8), (9) и вычисленным и рассчитать изменения энтропии в процессе нагрева, плавления и суммарное изменение энтропии. Результаты всех вычислений занести в таблицу 2.

Таблица 2.

, К	, Дж/(кг*К)	, Дж/(кг*К)	λ, Дж/кг	, Дж/К	, Дж/К	, Дж/К