Министерство образования и науки РФ Федеральное агентство по образованию

Российский государственный университет нефти и газа

им. И.М. Губкина

Кафедра физики http://physics.gubkin.ru

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 171 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ, УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ

И УДЕЛЬНОЙ ЭНТРОПИИ ПЛАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛА ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Москва

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 171

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ, УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ И

УДЕЛЬНОЙ ЭНТРОПИИ ПЛАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛА.

Цель и содержание работы

Целью работы является ознакомление с особенностями процесса плавления метал-

ла и измерениями температуры с помощью термопары. Работа состоят в определении за-

висимости температуры образца от времени в определении на этой основе характеристик

процесса плавления.

Краткая теория работы

При плавления кристаллического вещества энергия, подводимая в форме тепла,

расходуется на разрушение кристаллической решётки. Поэтому до полного разрушения

решетки температура образца не меняется, несмотря на подводимую энергию. Энергия,

необходимая для плавления единицы массы вещества, взятого при температуре плавления

плT , называется удельной теплотой плавленая и обозначается обычно греческой буквой λ .

Если производить нагревание образца из вещества, находящегося первоначально в

кристаллическом состоянии, и затем построить график зависимости температуры образца

T от количества подведенной к нему энергий Q , то на этом графике появится горизон-

тальный участок "плато" при температуре, равной температуре плавления плT (см. рис. 1).

Рис. 1. Зависимость температуры образца, первоначально находившегося

в кристаллическом состоянии, от подведенной энергии (теплоты).

Длина горизонтального участка равна полной теплоте плавления образца mQ λ=∆ , где

m – масса образца. Таким образом, определив длину горизонтального участка, можно оп-

ределить удельную теплоту плавления:

mQ λ=∆

Q

T

плT

m

Q∆=λ . (1)

Следует отметить, что у некоторых твердых веществ (например, стекла) не образу-

ется кристаллическая решетка. Поэтому график зависимости температуры этих (аморф-

ных) веществ при плавлении от подведенной энергии является гладким, то есть не имеет

изломов и горизонтального участка.

Еще одной полезной характеристикой вещества является удельная энтропия плав-

ления. Энтропия является мерой неупорядоченности в системе. Изменение энтропии оп-

ределяется в термодинамике выражением:

∫=∆

2

1

12T

dQS , (2)

где dQ – энергия, передаваемая системе в форме тепла при обратимом процессе (квази-

равновесном).

Поскольку в процессе плавленая кристаллического образца его температура равна

температуре плавления, для энтропии плавления получаем из (2):

плпл

плT

QdQ

TS

∆==∆ ∫

2

1

1 (3)

и для удельной энтропии плавления

плпл

плпл

TmT

Q

m

SS

λ=

∆=

∆=∆ . (4)

Все металлы, кроме ртути, при нормальных условиях представляют из себя кри-

сталлы. В настоящей работе проводится определение температуры, удельной теплоты и

удельной энтропии плавления металлического образца.

Приборы, необходимые для выполнения работы

1. Электрическая печь с помещенным внутрь металлическим образцом (Сплав Вуда).

2. Термометр термопарный с милливольтметром.

3. Секундомер или часы с секундной стрелкой.

Порядок выполнения работы

Включить кнопку "нагрев" печи с одновременным включением секундомера (или

отметкой времени по часам). Снимать показания милливольтметра через каждые 30 се-

кунд или другой промежуток времени заданный преподавателем и записывать их в табли-

цу. Сразу, после того как значение милливольтметра превысит 500 мВ выключить

нагрев!

№ измерения Показания

милливольтметра, мВ

Время, с Температура образца Т, К

1

2

3

...

30

1. Записать температуру воздуха в лаборатории 273+= комком tT .

2. По градуировочному графику, приложенному к установке, определить температуру об-

разца в каждый момент времени.

3. Записать полезную мощность печи P и массу образца m , указанные на установке.

Обработка результатов измерений.

1. Построить на миллиметровой бумаге график зависимости температуры образца T (К)

от времени t (с). При построении графика обратить внимание на выбор масштабов по

обеим осям. Ось T разумно начать с температуры 273 К (0°С) или комT приблизительно

равной 293 К (20°С).

2. На графике выделить «плато» – участок почти неизменной температуры. Определить

температуру плT и промежуток времени от начала до конца горизонтального участка.

3. Подсчитать по формуле (1) удельную теплоту плавления, считая, что подведенная к об-

разцу энергия tPQ ⋅=∆ .

4. Подсчитать удельную энтропию плавления по формуле (4).

Контрольные вопросы

1. Почему участки графика на рисунке, расположенные справа и слева от «плато», имеют

вид наклоненных прямых? Чему равен тангенс угла наклона для этих участков?

2. Как примерно будет выглядеть зависимость температуры от подведенной энергии для

некристаллического (аморфного) вещества?

3. Чему равно изменение энтропии S некоторого количества газа при процессе в тепло-

изолированном сосуде (так называемом адиабатическом процессе)?

4. Как подсчитать изменение энтропии образца массы m из вещества с удельной тепло-

емкостью c при нагревании его от 1T до 2T ( плTTT <21, )?

5. Какое количество энергии необходимо подвести к ледяному образцу массы m при

начальной температуре плTT <1 , чтобы полностью превратить его в воду? Удельная тепло-

емкость c и теплота плавления λ известны. Как подсчитать изменение энтропии образца

в этом процессе?

6. Чему равно изменение энтропии некоторого количества одноатомного газа при его изо-

термическом ( constT = ) расширении от объема 1V до объема 2V ?

7. Как связаны абсолютная температура и средняя кинетическая энергия молекул любого

вещества?

8. Как подсчитать удельную энтропию испарения испS некоторого вещества, зная его

температуру кипения кипT и удельную теплоту парообразования q ?

9. Если подавляющее большинство металлов находится при нормальных условиях в кри-

сталлическом состоянии, почему у металлических деталей не заметна разница свойств по

разным направлениям (анизотропия), характерная для кристаллической решетки?

10. Поясните определение энтропии как меры неупорядоченности системы на примере

наиболее вероятного и имеющего наибольшую энтропию распределения молекул двух га-

зов по сосуду, где они содержатся.

Литература

Савельев И.В. Курс общей физики. т. 1.