III. Методика измерений и расчетные формулы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.17

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНТРОПИИ ПРИ НАГРЕВАНИИ И

ПЛАВЛЕНИИ ОЛОВА»

I.Цель работы: определение изменения энтропии при фазовом переходе первого рода на примере плавления олова.

II. Описание установки

Для определения изменения энтропии при нагревании и плавлении олова предназначена экспериментальная установка ФПТ1-11н, общий вид которой показан на рис. 1.

Нагревание олова происходит в тигле с помощью электрического нагревателя 3, источник питания которого размещен в блоке приборов 7. Температура олова измеряется цифровым термометром, расположенным в блоке рабочего элемента 6. Время нагрева измеряется цифровым секундомером, расположенным в блоке приборов. Секундомер приводится в действие при включении питания блока приборов.

Рисунок 11.1 Общий вид экспериментальной установки ФПТ1-11н.

1 – стойка, 2 – кронштейн, 3 – нагреватель; 4 – датчик температуры;

5 – тигель с исследуемым материалом; 6 – блок рабочего элемента; 7 – блок приборов

III. Методика измерений и расчетные формулы

Фазовый переход первого рода – фазовое превращение, сопровождающееся поглощением или выделением некоторого количества скрытой теплоты и изменением удельного объема вещества; температура перехода остается постоянной и зависит от давления. Значит, для того, чтобы расплавить некоторую массу m вещества, находящуюся при температуре плавления Т _П, необходимо затратить количество теплоты

Q_П =λ ⋅ m. (1)

где λ – удельная теплота плавления данного вещества.

Энтропией называется функция состояния термодинамической системы, дифференциал которой dS при обратимом процессе равен отношению бесконечно малого количества теплоты δ Q, сообщенного системе, к термодинамической температуре Т системы

.

Энтропия всегда определяется с точностью до постоянной величины, поэтому смысл имеет лишь ее изменение при переходе системы из состояния 1 в состояние 2:

. (2)

Процесс плавления олова протекает при постоянной температуре Т=Т_П и, следовательно, является изотермическим. Изменение энтропии при таком процессе можно найти по формуле (2):

.

Из выражения (2) вытекает, что изменение энтропии при нагревании и плавлении олова можно определить как сумму изменений энтропии при нагревании его от начальной температуры Т_К до температуры плавления Т_П и при плавлении олова:

.

Учитывая, что δ Q _H = c ⋅ m⋅ dT, и принимая во внимание формулу (1), получаем

, (3)

где с и λ – удельная теплоемкость и удельная теплота плавления олова.

Формула (11.3) может быть использована для экспериментального определения изменения энтропии при нагревании и плавлении олова после измерения значения температур Т_К и Т_П.