11.2 Експериментальні дослідження

11.2.1 Опис лабораторної установки

Лабораторна установка (рис. 11.2) є скляна трубка (1) з рідиною, яка досліджується. У кришці (2) є отвір (3), куди опускають металеву кульку (4), на зовнішній стороні трубки є позначки (5).

Рисунок 11.2 Лабораторна установка.

11.2.2 Порядок виконання роботи

1 Виміряти за допомоги мікрометра діаметр кульки r. Виміри корисно виконувати декілька разів.

2 Перевірити положення позначок чи встановити їх знову, якщо вони з якихось причин відсутні. Верхня позначка повинна бути на декілька сантиметрів нижче рівня рідини в трубці.

3. Визначити температуру при якій виконується дослід.

4. Виміряти лінійкою відстань h між позначками.

5 Через отвір у верхній кришці трубки опустити в рідину кульку і засікати секундоміром моменти часу t проходження кулькою позначок. Дослід повторити декілька разів.

11.3 Обробка результатів вимірювань

1 Визначити середні значення прямих вимірювань- t, r, h.

2 Обчислити похибки прямих вимірювань -Δt, Δr, Δh.

3 Визначити середнє значення в’язкості рідини - η.

4 Обчислити похибку не прямого вимірювання - Δη.

5 Порівняти одержані результати з табличними даними для рідини, яка досліджувалась. Пояснити розбіжність.

11.4 Зміст звіту

Зміст повинен містити: мету роботи; її суть; експериментальні результати досліду; оцінку результатів вимірів; висновок; список викорастаних джерел.

11.5 Контрольні запитання і завдання

1 Які явища переносу вам відомі ?

2 Метод визначення коефіцієнта в'язкості рідини.

3 Потрібно чи ні у вимірах вводити поправочний коефіцієнт у формулі (11.7)?

4 Як змінюється швидкість руху кульки із збільшенням ії діаметра?

12 Визначення температури та питомої теплоти плавлення металу

Мета роботи: визначення температури, питомої теплоти плавлення металу та зміну ентропії при плавленні і кристалізації.

12.1 Теоретичні дослідження

Сильне нагрівання твердого тіла може призвести до руйнування його кристалічної решітки та до переходу речовини з твердої фази в рідку. Фазове перетворення, яке супроводжується поглинанням або виділенням кількості теплоти та зміною питомого об'єму (об'єму, який займає одиниця маси), називається фазовим переходом першого типу.

Плавлення (перехід речовини з твердого стану в рідкий) та оборотний процес (кристалізація) для багатьох кристалічних речовин є фазовим переходом першого типу. Такий перехід завжди ізотермічний.

Під час фазового переходу зберігається двуооразний стан (наприклад, рідкий та твердий). Якщо при деякому тиску передавати твердому тілу за рівні малі проміжки часу однакову кількість теплоти Q, то абсолютна температура тіла змінюватиметься відповідно з графіком (рис. 12.1). Ділянка АВ є нагрівання твердого тіла до температури плавлення T_n.

Рисунок 12.1 - Залежність температури твердого тіла від кількості теплоти.

Для кристалічних тіл в точці В припиняється подальше підвищення температури. Ізотермічна ділянка ВС характеризує перехід тіла з твердого стану в рідкий і відповідає одночасному існуванню двох фаз: твердої та рідкої.

На ділянці ВС при плавленні тілом поглинається певна кількість теплоти при сталій температурі. Ця кількість теплоти, розрахована на одиницю маси тіла, називається питомою теплотою плавлення r_n

Позначимо через U_p та U_t внутрішні енергії одиниці маси речовини в точках С та В, що відповідають рідкій та твердій фазам, та через V_p i V_t - питомі об'єми рідини й твердого тіла. Тоді, за першим законом термодинаміки, питома теплота плавлення може бути представлена так:

r_n = U_p – U_t + p(V_p - V_t), (12.1)

де р - постійний тиск, при якому відбувається фазовий перехід.

Для фазових переходів першого типу можна розрахувати зміну ентропії за формулою Клаузіуса:

ΔS=ΔQ/Т (12.2)

В даному випадку:

ΔQ = ± r_nm, (12.3)

де m - маса тіла. Знак "+" відповідає поглинанню тілом кількості теплоти (плавленню), знак "-" кристалізації, яка супроводжується виділенням кількості теплоти.

Процес плавлення є перехід речовини з більш упорядкованого кристалічного стану в менш упорядкований - рідкий. За другим законом термодинаміки такий перехід повинен супроводжуватися зростанням ентропії

речовини.

При охолодженні більшості рідин до деякої температури, яка залежить від тиску та складу рідин, починається процес кристалізації - перехід речовини з рідкої фази в тверду. Він зв'язаний з виділенням теплоти, рівній теплоті плавлення.

Якісно процес кристалізації, як і процес плавлення, можна пояснити зміною характеру теплового руху частинок речовини. Під впливом сил взаємного притягання між частинками їх рух при охолодженні речовини, врешті-решт, перетворюється в хаотичні теплові коливання навколо деяких незмінних середніх положень - вузлів кристалічної решітки.

Залежність температури плавлення твердих тіл від тиску зображена на рис. 12.2 (крива плавлення). Це крива (тверде тіло - рідина), що розділяє одну від одної області існування твердої та рідкої фаз.

Рисунок 12.2 – Залежність температури плавлення від тиску.

І

Іншою різновидністю фазового переходу першого типу є перехід речовини з рідкої фази в газоподібну та навпаки.

Фазові переходи другого типу не пов'язані з поглинанням чи виділенням теплоти фазового переходу. При цих переходах стрибком змінюються будь-які з параметрів системи -теплоємність, коефіцієнт теплового розширення та деякі інші характеристики речовини. Приклад такого переходу - перетворення феромагнетика в парамагнетик в точці Кюрі.