Порядок виконання роботи

1. Увімкнути живлення установки 220 В.

2. Увімкнути живлення електронагрівника 1. Для цього перемикач 6 перевести в положення „Вкл.”.

3. Контролювати температуру ампули 4 під час її нагрівання за шкалою потенціометра 5 (шкала потенціометра проградуйована в градусах Цельсія).

4. Спостерігати за поведінкою ефіру в ампулі в процесі нагрівання. В момент зникнення межі поділу між рідиною та її парою зафіксувати температуру t₁C.

5. Перемикач 6 перевести в положення „Викл.”. Спостерігати за поведінкою ефіру в ампулі в процесі охолодження. В момент появи межі поділу між рідиною і парою зафіксувати температуру t₂C.

6. Повторити вимірювання згідно з пунктами 2–5 ще чотири рази. Вимкнути живлення нагрівника 1. Результати експерименту записати в таблицю:

   Номер за пор.	t1, oC	t1, oC	t2, oC	t2, oC
   1
   …..
   С.з.

7. Розрахувати за формулою (3) критичну температуру ефіру Т_K.

8. Абсолютну похибку визначення критичної температури обчислити за формулою

.

9. Записати кінцевий результат експерименту у вигляді

Т_K=(Т+Т) К, Е_Tк =...%.

Контрольні запитання

1. Запишіть і поясніть рівняння Ван-дер-Ваальса для моля реального газу.

2. Покажіть на графіку в системі координат P, V ряд ізотерм реального газу, отриманих за різних температур.

3. Що називають критичною точкою речовини і які параметри її характеризують?

4. Як виразити критичні параметри речовини через поправки Ван-дер-Ваальса?

5. Які ви знаєте метастабільні стани речовини? Як їх можна отримати?

6. За яких умов речовину можна перевести з газоподібного стану в рідкий шляхом ізотермічного стиску? Чому більшість газів не зріджуються за кімнатної температури?

Лабораторна робота №216. Дослідження процесу плавлення кристалічних речовин

Завдання: визначити температуру плавлення (кристалізації) за кривими нагрівання (охолодження) металу і зміну ентропії цього процесу.

Приладдя: установка для дослідження процесу плавлення металів; набір тиглів з металами; термометр, барометр, секундомір.

Теоретичний матеріал, який необхідно засвоїти під час підготовки до виконання роботи: процеси плавлення та кристалізації твердих тіл; кристалічні та аморфні тіла; фазові переходи першого роду, питома теплота фазових переходів; рівняння Клапейрона–Клаузіуса; ентропія; термопарний метод вимірювання температури.

Література:

1) § 21.3–21.5, c. 407–414;

2) § 22.4–22.6, c. 134–138;

3) §70, с. 219–222;

4

Рис. 20

) § 75–76, с. 124–127; § 247, с. 398–400.

Опис установки.

Установка для дослідження процесу плавлення металів показана на рис. 20. Вона складається з електропечі 1 для нагрівання тигля з металом 3, поворотного стола 2 з ручкою керування 4, на якому закріплені чотири тиглі з різними металами. Термопара 5 разом з потенціометром 7 утворюють електричний термометр, за допомогою якого вимірюють температуру металу в тиглі. Саму термопару можна переміщувати по вертикалі, якщо обертати гвинт повзунка 6. Секундоміром 8 вимірюють час. Перемикач 9 призначений для увімкнення живлення електропечі 1.

Ідея роботи та виведення робочої формули. Під час нагрівання кристалічної речовини кінетична енергія її атомів збільшується і, відповідно, підвищується температура тіла. У разі досягнення температури плавлення Т_пл зовнішня енергія, якої набуває тіло, витрачається на руйнування кристалічної ґратки, тому температура тіла не буде підвищуватися, доки вся речовина не перейде в рідкий стан. Процес плавлення належить до фазових переходів першого роду. Його описує рівняння Клапейрона–лаузіуса

, (1)

де P – тиск; Т – абсолютна температура; q – питома теплота фазового переходу; V₂ і V₁ – об’єми речовини в твердому і рідкому станах, відповідно.

Кількість теплоти, яка необхідна для того, щоб перевести одиницю маси речовини з твердого стану в рідкий за сталих температури і тиску, називають питомою теплотою плавлення (кристалізації) . Отже, для повного розплавлення (кристалізації) кристалічної речовини масою m за температури Т_пл потрібно затратити кількість теплоти

Q = m. (2)

Знак плюс відповідає поглинанню теплоти під час плавлення тіла, а мінус – виділенню теплоти під час кристалізації.

Е

Рис. 21

нтропія S є мірою розупорядкованості термодинамічної системи. З огляду на це під час плавлення речовини її ентропія повинна збільшуватись, оскільки для кристалічного стану харак-терний як ближній, так і дальній порядок, а для рідкого – тільки ближній. Зміну ентропії під час плавлення кристалічної речовини можна обчислити за формулою Клаузіуса

або . (3)

Розглянемо тепер детальніше процес плавлення кристалічної речовини. На діаграмі плавлення (рис. 21) показана зміна температури речовини з часом унаслідок її нагрівання. Ділянка ОА відповідає нагріванню твердої, а ВС – рідкої фази речовини. Процесу плавлення відповідає ділянка АВ. Як бачимо, під час плавлення кристалічної речовини протягом часу t її температура не змінюється. Ця температура і є температурою плавлення Т_пл досліджуваної речовини. Отже, за діаграмою плавлення можна визначити температуру плавлення речовини і, знаючи її масу та питому теплоту плавлення, обчислити за формулою (3) зміну ентропії в цьому процесі.

У цій роботі для визначення зміни ентропії використовують порівняльний метод, оскільки питома теплота плавлення відома лише для одного з досліджуваних металів (олова). Експериментальна установка забезпечує однакову тепловіддачу в системі тигель з металом–електропіч. Тому кількість теплоти, яку отримує (чи втрачає) метал, пропорційна до часу t. Отже, визначивши час повної кристалізації t для двох із досліджуваних металів, можна записати

, (4)

де Q і Q₀ – теплоти плавлення досліджуваного металу й олова; t i t₀ – їхні часи кристалізації. Звідси

,

або, врахувавши (2),

, (5)

де m та m₀ – маси досліджуваного металу й олова; , ₀ – їхні питомі теплоти плавлення.

Якщо маси металів у тиглях однакові, то

. (6)

Підставивши (6) у (3), отримаємо

. (7)

Поділимо обидві частини рівняння (7) на m і, врахувавши, що S=S^|/m – зміна ентропії одиниці маси речовини, матимемо

. (8)

Формула (8) є робочою формулою цієї лабораторної роботи.