МУ - МТ-5 (Изучение энтропии твердого тела на примере нагревания и плавления олова)

1Московский государственный технический университетим. Н.Э. БауманаН.А. Гладков, О.С. ЛитвиновИЗУЧЕНИЕ ЭНТРОПИИ ТВЕРДОГО ТЕЛАНА ПРИМЕРЕ НАГРЕВАНИЯ И ПЛАВЛЕНИЯ ОЛОВАМетодические указания к лабораторной работе МТ-5по курсу общей физикиПод редакцией М.А.

ЯковлеваМ оск ва, 2006Изложена теория перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое. Изучено изменение энтропии, сопровождающее эти переходы. На примере олова экспериментально исследовано изменение энтропии, сопровождающее нагревание вещества и его плавление.Для студентов 1-го курса МГТУ им. Н.Э. Баумана.Цель работы - определение изменения энтропии при фазовом переходе первого родана примере плавления олова.1.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬВ природе вещества существуют в различных состояниях: твердом, жидком, газообразном, а также в виде ионизованных атомов и молекул, или, в более общем случае, в видесреды заряженных частиц (например, электронов), называемой плазмой. В физике перечисленные выше состояния называют агрегатными состояниями вещества. При определенныхвнешних воздействиях, например при нагревании, или при некоторых внутренних процессах(протекании химических или биологических реакций) вещество может переходить из одногоагрегатного состояния в другое. Процесс перехода из одного агрегатного состояния в другоесопровождается изменением структуры расположения атомов и молекул вещества, взаимодействием между ними, определяющими прочность вещества и другие физико-химическиепараметры.

В результате перехода может выделяться или поглощаться теплота, как это имеетместо, например, при таянии льда, испарении воды при ее переходе из твердого состояния вжидкое и соответственно из жидкого в газообразное. Вот почему во время перехода из одного агрегатного состояния в другое вещество может находиться одновременно в двух состояниях. Впрочем, не исключаются ситуации, когда при переходах возможно существованиевещества одновременно не в двух агрегатных состояниях, а в трех. Поэтому обычно говорято фазе состояния вещества, понимая под этим макроскопически однородную часть вещества,находящуюся в определенном агрегатном состоянии и отделенную от других частей границей раздела.Примером двухфазной системы является содержащаяся в закрытом сосуде вода, надповерхностью которой находится некоторое количество воздуха и водяных паров. Если же всосуде одновременно в воде плавают кусочки льда, рассматриваемая система является трехфазной.Когда вещество существует одновременно в нескольких фазах, имеет место динамическое равновесие между этими фазами в том смысле, что скорости превращения одной фазыв другую и обратно равны друг другу.

Для рассматриваемого выше примера воды, находящейся в закрытом сосуде, это означает, что число молекул воды, пересекающих границу раздела между водой и воздухом, равно числу молекул водяного пара, пересекающих границу вобратном направлении.При нарушении условий равновесия, например при подводе теплоты от внешнего источника, преобладающим становится процесс испарения молекул воды, в результате которого количество воды в закрытом сосуде будет уменьшаться.Переходы из одного агрегатного состояния в другое называют фазовыми переходамипервого рода. Однако существуют фазовые переходы, при которых не происходит изменения2агрегатного состояния вещества. В результате такого рода фазовых переходов одновременномогут сосуществовать две фазы, отличающиеся, например, модификациями кристаллическойрешетки.

Явление возможного сосуществования твердого вещества в различных модификациях называют полиморфизмом. Состояния вещества с различными кристаллическими модификациями могут переходить друг в друга в результате полиморфных превращений. Примерами полиморфных превращений являются переход жидкого гелия I в гелий II и обратнопри низких температурах, переход веществ в сверхпроводящее состояние, переход ферромагнетиков в парамагнетики при температуре выше точки Кюри и др.

Такие фазовые переходы называют фазовыми переходами второго рода. Изучение их более сложно, чем изучение фазовых переходов первого рода.В связи с изучением в данной лабораторной работе изменения энтропии олова будет интересным указать, что олову также присущ полиморфизм. Олово существует в двух модификациях: обычное, или белое, олово и порошкообразное серое олово. При температуре выше 18 0С устойчивой модификацией является белое олово, а при температуре меньше 18 0С - серое олово. После сильногомороза при потеплении предметы, изготовленные из белого олова, могут в результате полиморфногопревращения перейти в серое, при наличии зародышей альтернативной кристаллической модификации. В обычных условиях зародышей серого олова в белом олове нет.

Однако в условиях достаточнонизких температур зародыши серого олова начинают самопроизвольно появляться в белом. С ростомтемпературы, например в результате потепления, скорость перехода серого олова в белое начинаетвозрастать и достигает своего максимального значения при 0 0С, из-за чего оловянный слиток можетрассыпаться в порошок. Это явление получило название «оловянной чумы».В истории человечества известны случаи, когда «оловянная чума» приводила к трагикомическим, а иногда и к трагическим последствиям.Так, после одной из суровых зим в конце XIX в. в Петербурге на складе военной амуниции,где хранился запас оловянных солдатских пуговиц, после потепления несколько пуговиц потемнело.В этих пуговицах в результате полиморфного превращения начали появляться зародыши серого олова. «Зараженные» пуговицы передавали «заболевание» соседним, и через несколько дней весь запаспуговиц превратился в кучу серого порошка!История с трагическим концом произошла в прошлом веке с антарктической экспедицией Р.Скотта (1868-1912), когда из-за «оловянной чумы» произошло разрушение оловянной тары с горючим.

Достигнув Южного полюса, полярники не смогли вернуться на базу и погибли!Фазовый переход первого рода представляет собой изменение состояния вещества,сопровождающееся поглощением или выделением некоторого количества скрытой теплотыи изменением удельного объема вещества. С точки зрения молекулярно кинетической теориивыделение или поглощение тепловой энергии связано с изменением состояния движения атомов и молекул вещества в результате фазового перехода первого рода. Так, для плавлениявещества, в результате которого оно перейдет из кристаллической в жидкую фазу, требуетсянекоторое количество теплоты, расходуемой на разрушение кристалла, т.

е. ослабление межатомных связей и, в конечном счете, увеличение кинетической энергии атомов вещества, переходящего в жидкую фазу. При обратном процессе отвердевания или кристаллизации вещества и его переходе из жидкой фазы в твердую, кинетическая энергия теплового движенияатомов в жидкости уменьшается и, в результате, выделяется теплота, называемая скрытойтеплотой плавления вещества.При фазовом переходе первого рода температура самого вещества остается постоянной в процессе перехода и зависит от давления.Для того чтобы расплавить некоторую массу т вещества, находящуюся уже при температуре плавления Тпл, необходимо затратить количество теплоты(1)Qпл=λmгде λ - удельная теплота плавления данного вещества.Одним из параметров, определяющих состояние вещества в различных фазах: твердой, жидкой или газообразной, - является энтропия.

С помощью энтропии можно оценитьстепень упорядоченности структуры вещества [1]. Чем больше упорядоченность структуры3вещества, т. е. чем меньше хаотичность движения составляющих его частей, тем меньше энтропия. Упорядоченность твердого кристаллического вещества, имеющего строгую периодическую структуру расположения атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, больше, чем упорядоченность этого же вещества в жидком состоянии; соответственно, энтропиявещества в жидком состоянии будет больше, чем энтропия этого вещества в твердом состоянии.Энтропия S впервые была использована в физике в качестве функции состояния термодинамической системы (ТС) [1]; дифференциал ее dS при обратимом процессе определяется отношением количества теплоты δQ, сообщенного системе, к абсолютной температуре Тсистемы, при которой эта теплота была получена:(2)dS = δQ/T.Выражение (2) определяет энтропию как приведенную теплоту.

В самом деле, изменение энтропии численно равно количеству теплоты, приходящемуся на единицу изменениятемпературы ТС.Рассмотрим конечное изменение энтропии ∆S12 ТС при ее переходе из некоторого начального состояния 1 в конечное состояние 2, осуществляемое с помощью некоторого процесса, в течение которого может изменяться давление в ТС, ее температура, объем, а такжеподводиться или отводиться теплота.