Определение теплоемкости, удельной теплоты плавления и приращения энтропии при фазовом переходе твердое тело-жидкость

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Прямое определение теплоемкости, удельной теплоты плавления и приращения энтропии при плавлении/кристаллизации методом электрического нагрева.

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ:

Лабораторный комплект ЛКТ-3, включающий измерительную систему ИСТ-2М, приборный блок, печь-термостат, тигель, исследуемое легкоплавкое вещество: парафин (или стеарин), сплав Розе {50% Bi, 28% РЬ и 22% Sn по массе) или другое вещество, предложенное преподавателем. График зависимости мощности тепловых потерь и теплоемкость системы (печь+тигель), полученные в л.работе N1.

Ход выполнения работы:

1. Получите от преподавателя значение мощности нагрева W (рекомендуемая мощность W = 20-25 ватт) для нагрева системы (тигель+печь+исследуемое легкоплавкое вещество)

2. Исследуемое вещество (рекомендуемое количество - 30 мл) поместите в.тигель. Взвесьте тигель и определите массу исследуемого вещества, учитывая, что вес пустого тигля равен 60,0±0,5 г. Установите тигель на плите печи-термостата. Для лучшего теплового контакта зачистите нижнюю поверхность тигля и поверхность термостата бумагой, затем нанесите на нижнюю поверхность тигля 2-3 капли глицерина.

3. Произведите нагрев с постоянной мощностью от 40°С до 120°С (при этом регулятор "ТЕМПЕРАТУРА" должен быть установлен на максимальную температуру), снимая зависимость температуры от времени. Шаг по температуре для сплава Розе: 5 градусов при температурах ниже 90°С, 2°С в диапазоне 90°С‑120°С.

4. При достижении температуры 120°С выключите нагреватель и опять снимите зависимость температуры от времени при охлаждении до 60°С.

5. Постройте на одном графике (ось OX ‑ линейная шкала времени (сек.), ось OY ‑ линейная шкала температуры (°С)) кривые нагревания и охлаждения.

6. Вычислите теплоемкости вещества по формуле для каждого температурного интервала, начинающегося при .

7. Усредните теплоемкости вещества по всем интервалам температуры и с помощью вычисления среднеквадратичного отклонения и коэффициента Стьюдента (см. Приложение 1) вычислите абсолютную ошибку измерения теплоемкости.

8. Путем деления средней теплоемкости вещества и ее погрешности на массу определите удельную теплоемкость С_уд вещества и ее абсолютную погрешность.

9. Выделите на кривых участки "плато" плавления/кристаллизации. Путем интегрирования на этих участках по времени вычислите теплоту плавления. Для этого воспользуйтесь формулами , где - время плавления вещества, W -мощность нагрева, -мощность тепловых потерь при температуре плавления. Для ее определения воспользуйтесь графиком , полученном в л.работе N1.

10. При охлаждении для нахождения теплоты плавления используйте аналогичную формулу: , но без мощности нагрева.

11. Вычислите среднее значение теплоты плавления при плавлении/кристаллизации и подсчитайте значение удельной теплоты плавления путем деления средней теплоты плавления на массу вещества.

12. Подсчитайте приращение энтропии при фазовом переходе по формуле , а также удельной энтропии плавления путем деления приращения энтропии при плавлении на массу вещества.

13. Напишите выводы, где необходимо привести значения вычисленных С_уд, , и сравните эти значения с экспериментальными.

14.

Вопросы:

1. Что называют энтропией системы? Формулы для ее расчета через количество состояний системы, через теплоту
2. Второе начало термодинамики. Все формулировки
3. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Его пример для перехода лед-вода. В чем особенность этого перехода?
4. Что такое фазы, фазовый состав?
5. Что такое сублимация и возгонка?
6. Что такое удельная теплота плавления?

Задачи:

1. Определить коэффициент теплопроводности кирпичной стенки печи толщиной 380 мм, если температура на внутренней поверхности стенки 300С и на наружной 60С. Потери теплоты через стенку q = 190 Вт/м2.

2. Через плоскую металлическую стенку топки котла толщиной δ=14 мм от газов к кипящей воде проходит удельный тепловой поток q=25 000 Вт/м². Коэффициент теплопроводностн стали λ =50 Вт/{мК)- Определить перепад температуры на поверхностях стенки.

3. Определить удельный тепловой поток через бетонную стенку толщиной 300 мм, если температуры на внутренней и наружной по­верхностях соответственно равны t₁=15C и t₂=-15C. Коэффициент теплопроводности бетона λ=1,0 Вт/(мК).

4. Определить эквивалентный коэффициент теплопроводности стальной стенки парового котла, если стенка покроется слоем накипи 2 мм с коэффициентом тепдопроводности λ₁=1,35 Вт/(мК). Толщина стального листа δ=16 мм и λ₂=1,35 Вт/(мК). Сравнить его с коэффициентом теплопроводности стали.

5. Слой льда на поверхности воды имеет толщину 250 мм, температуры на нижней и верхней поверхностях равны, соответственно t₁ =0*С и t₂ =- 15C. Определить тепловой поток через 1 м ^г поверхности льда, ели его коэффициент теплопроводности λ_льда =2.25Вт/(мК). Как изменится тепловой поток, если лед покроется слоем снега толщиной 155 мм с коэффициентом теплопроводности λ_снега =0,465 Вт/(мК) и температура на поверхности снега будет t₃=-20C?