МУ - МТ-5 (1003881)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
