Лабораторна робота №1
ВИЗНАЧЕННЯ ТЕПЛОТИ Тужавіння (КРИСТАЛЛИЗАЦИИ) ВЕЩЕСТВА
Тужавіння рідини - це фазовий перехід речовини з НЕ кристалічного рідкого у кристалічний твердий стан. Іншими словами, коли при охолодженні рідини вона перетворюється в тверде тіло, то відбувається утворення кристалічної решітки. У кристалі частки речовини - атоми або молекули - розташовуються так, щоб їх взаємна потенційна енергія взаємодії була мінімальна. Що виходять при цьому надлишкова енергія виділяється. переходячи в кінетичну енергію безладних теплових рухів. Це повинно було б привести до підвищення температури. Але так як одночасно відбувається відведення енергії в навколишнє середовище, то виділяється при кристалізації енергія компенсує цей відведення і температура речовини під час кристалізації залишається постійною.
Навпаки, коли до твердого тіла підводиться енергія у формі теплоти, воно нагрівається і при певній температурі плавиться, перетворюючись на рідину. Плавлення означає руйнування кристалічної решітки, в результаті чого потенційна енергія взаємодії частинок зростає. На це, а не на підвищення температури тіла і витрачається підводиться теплота. Тому і під час плавлення температура речовини залишається постійною.
Поглинається теплоту плавлення і виділяється теплоту затвердіння часто називають "прихованими" теплотамі відповідно плавлення і затвердіння (кристалізації) ( "прихованими" - тому що вони не призводять до зміни температури). У чистих однорідних речовин температури плавлення і затвердіння збігаються. Дорівнюють один одному і "приховані" теплоти плавлення і затвердіння. Виділення або поглинання "прихованих" теплот переходу - неодмінна ознака так званих фазових переходів першого роду. Саме таким фазовим переходом першого роду і є переходи рідина - тверде тіло і тверде тіло - рідина.
Метою роботи є дослідне визначення теплоти фазового переходу рідина - тверде тіло. Досліджувана речовина - олово.
1. Основи методу вимірювання теплоти затвердіння кристалічної речовини
Метод визначення теплоти переходу заснований на тому, що при твердінні виділяється теплота кристалізації компенсує відведення теплоти від охолоджуваного речовини до зовнішнього середовища, і тому температура речовини під час кристалізації залишається постійною.
Це означає, що теплота кристалізації виділяється з такою ж швидкістю, з якою теплота відводиться в навколишнє середовище. Безпосередньо виміряти швидкість тепловідведення під час кристалізації можна, так як температура при цьому залишається незмінною. Але можна визначити швидкість тепловідведення до початку кристалізації і після її закінчення. Швидкість же тепловідведення під час кристалізації можна прийняти рівною середньому арифметичному між ними.
Нехай розплавлене речовина (олово) міститься в тиглі, маса якого дорівнює m т. А питома теплоємність матеріалу дорівнює С т. Нехай далі маса речовини в тиглі дорівнює M. а питома теплоємність рідкої речовини равнаС ж. Тоді якщо за час d τ ж температура тигля з
рідким речовиною зміниться на dt ж. то швидкість тепловідведення від тигля з рідким речовиною буде дорівнює
2. Опис експериментальної установки
Принципова схема експериментальної установки для визначення питомої прихованої теплоти затвердіння олова представлена на рис.1.
Рис.1. Принципова схема установки і фото самописного потенціометра:
1 - автоматичний самописний потенціометр; 2 - тумблер включення приладу; 3 - тумблер включення переміщення діаграми; 4 - перемикач швидкості руху діаграмної паперу; 5 - шкала потенціометра; 6 - перо самописця; 7 - диаграммная папір; 8 - електрична піч; 9 - тигель; 10 - термопара; 11 - пристрій для підтримки тигля і термопари
Рис.2. Піч з тиглем: 1 -печка; 2 тигель; 3 термопара; 4 держатель тигля; 5 штатив.
Перед розплавленням термопара розташовується безпосередньо над поверхнею олова. Олово, поміщене в фарфоровому або алундові тиглі, спочатку розплавляють в електричній печі і перегрівають його трохи вище температури плавлення. За температурою олова стежать за шкалою самописного потенціометра. Після розплавлення і перегріву тигель з оловом за допомогою пристрою для підтримки тигля і термопари виймається з печі, а термопара занурюється в розплавлене олово. Пишучий елемент приводять у контакт з диаграммной папером, включають тумблер переміщення діаграми і знімають криву охолодження олова, тобто залежність температури олова від часу.
Крива має вигляд, подібний зображеному на рис.2. Вертикальний ділянку графіка відноситься до процесу кристалізації (t кр = const).
Тепер, знаючи t ж. t тв. Δτ ж. Δτ тв. τ. можна підрахувати швидкості тепловідводу, а отже, і питому приховану теплоту кристалізації олова (1.7).
3. Методика проведення експерименту
П о д г о т о в к а к о п и т у
Ознайомитися з описом і лабораторної установкою. Переконатися, що перо самописця пише, в самописець вставлена диаграммная папір і її кріплення в самописці не порушено.
Увага! Харчування електропечі і автоматичного самописного потенціометра здійснюється напругою 220В, пам'ятайте, що температура рідкого олова в тиглі більше 232 0 С, будьте обережні при роботі!
У даній роботі необхідно виміряти питому теплоту кристалізації олова.
1. Включити піч, щоб вона почала прогріватися.
2. Тигель із які в ньому твердим оловом зважити на терезах, щоб визначити масу (M) олова. Маса тигля m т відома.
3. Помістити тигель з оловом в пристрій для підтримки тигля. Шляхом обережного переміщення у вертикальному напрямку помістити термопару безпосередньо над поверхнею твердого олова.
4. Помістити тигель з оловом в електричну піч.
4. Включити потенціометр (тумблер 2 потенціометра). Привести перо самописця в контакт з диаграммной папером (за допомогою важеля, що знаходиться на самописці).
5. Після того як олово розплавиться, занурити термопару в рідке олово і продовжувати нагрівати до тих пір, поки термоЕРС термопари не досягне (9,5 -9,8) mV. (Не допускати зашкалювання пера самописця вправо за 10mV.)
6. Після цього вийняти тигель з оловом з печі, розгорнути його на штативі (подалі від печі, так щоб не було нагріву від печі) і включити тумблер 3 переміщення діаграми. Всі ці операції провести швидко, але обережно.
7. Почекати поки перо самописця намалює криву охолодження твердого олова (верхній похилий ділянку рис. 2). Вимкнути тумблери 3 і 2.
8. Акуратно, щоб не порушити кріплення діаграмного паперу відрізати папір з отриманими даними.
9. Після цього помістити тигель в піч, розплавити олово і вийняти термопару з олова так, щоб вона з ним не контача. Посипати поверхню рідкого олова дрібкою каніфолі.
10. Користуючись формулами (1.7), (2.1), (2.2), підрахувати q. Похибка результату підрахувати для одноразового вимірювання, як систематичну. Для цього треба отримати формулу для розрахунку систематичної похибки вимірювання за правилами виведення формули для похибки з розрахункової формули (1.7) (див. Додатки до лаб. Робіт по обробці результатів вимірювань).
11. Порівняти отриманий середній результат з довідковими даними (див. Додатки до лаб. Робіт). Зробити висновки.
4. Контрольні питання
1. Чому фазовий перехід 1-го роду супроводжується виділенням або поглинанням теплоти?
2. На чому заснований метод визначення теплоти переходу в лабораторній роботі?
3. Чи однакові нахили на графіку охолодження рідкого і твердого олова? Чому?
4. Що слід зробити, щоб зменшити відносні похибки визначення швидкостей тепловідведення?
1. Матвєєв О.М. Молекулярна фізика. М. Вища. шк. 1987.
2. Сивухин Д.В. Загальний курс фізики: Термодинаміка і молекулярна фізика. М. Наука, 1979.
3. Преображенський В.П. Теплотехнічні вимірювання та прилади. М. Енергія, 1978.
4. Еноховіч А.С. Короткий довідник по фізиці. М. Вища. шк., 1976.