5. Для получения зачета необходимо:

Представить отчет по стандартной форме:

Уметь отвечать на вопросы и выполнять задания типа:

1) Оценить величину коэффициента поверхностного натяжения данной жидкости, исходя из представлений молекулярно-кинетической теории.

2) Оценить величину давления Лапласа.

3) Оценить высоту поднятия жидкости в капилляре.

Лабораторная работа №8. Определение теплоты плавления

1. Цель работы

Познакомиться с фазовыми переходами на примере плавления и отвердевания; по кривой отвердевания вычислить теплоту фазового перехода.

2. Вопросы, знание которых обязательно для допуска к выполнению

1) Что называется теплотой фазового перехода?

2) Как изменяется температура остывающего тела в зависимости от времени?

3) Как по наклону кривой определить количество теплоты, отданное остывающим телом за единицу времени, за промежуток времени.

3. Сведения из теории

Рис.1

В твердом теле каждая молекула находится в потенциальном поле сил соседних молекул и в состоянии равновесия ее положению соответствует минимум потенциальной энергии. Следует заметить, что потенциальная яма молекул, находящихся в объеме, имеет приблизительно симметричную форму (рис. 1а), а молекул, находящихся на границе раздела фаз (например, твердое тело-газ), асимметричную форму. При повышении температуры твердого тела, имеющего кристаллическую структуру (строго периодичное расположение атомом или молекул

в пространстве) растет кинетическая энергия колебательного движения молекул и вследствие теплового расширения увеличивается расстояние между центрами молекул. В связи с этим меняется форма потенциальной кривой для молекулы, окруженной соседними молекулами (рис. 1б). Зависимость приобретает сложную форму и положение равновесия молекулы перестает быть единственным. Периодичность кристаллической решетки в некоторых местах нарушается. В этих местах резко возрастает подвижность молекул, то есть резко уменьшается (практически до нуля) сопротивление вещества деформации сдвига. Твердое тело в этих областях переходит в жидкое состояние. Отличие жидкого состояния от твердого как раз и проявляется в отсутствии сопротивления деформации сдвига. Описанное разрушение кристаллической решетки легче происходит на границе раздела фаз. Температура, при которой происходит переход из твердой фазы в жидкую, называется температурой плавления.

На разрушение кристаллической решетки требуется подведение энергии. Поэтому, если тело находится при температуре плавления, энергия, подводимая к телу, идет не на повышение температуры тела, а на разрушение кристаллической решетки, то есть на плавление.

Количество теплоты, необходимое для превращения некоторой массы твердого тела, находящегося при температуре плавления, в жидкость называется теплотой плавления. Теплота плавления в расчете на единицу массы называется удельной теплотой плавления .

Часть 2. Плавка метала.

Поместим в электрическую цепь тигель с некоторым металлом. Будем считать, что температура печи выше температуры плавления металла, и теплоемкость печи велика по сравнению с те[Введите цитату из документа или краткое описание интересного события. Надпись можно поместить в любое место документа. Для изменения форматирования надписи, содержащей броские цитаты, используйте вкладку "Работа с надписями".]

плоемкостью тигля с металлом. Температура тигля с металлом с течением времени начет повышаться по экспоненциальному закону, стремясь к температуре печи (участок АВ на рис. 2).

Рис.2 Рис.3

Однако в момент времени , когда будет достигнута температура плавления металла, начинается процесс плавления. Температура металла временно перестает расти (участок BC на рис. 2). В момент времени, когда весь металл расплавится, температура снова начнет повышаться по экспоненциальному закону (участок CD на рис. 2).

Рассмотрим обратный процесс – процесс охлаждения жидкого металла и его кристаллизации. Для этого в момент времени выключим нагреватель печи. Температура тигля с металлом начнет по экспоненте снижаться до температуры кристаллизации (участок DE на рис. 3). В процессе кристаллизации температура металла и тигля будет оставаться постоянной (участок EF на рис. 3). После окончания кристаллизации в момент времениона начнет снова снижаться по экспоненте до комнатной температуры (участок FG на рис. 3).

; ;

Температуры кристаллизации и плавления одинаковы, поэтому теплоту плавления можно определять как по кривой нагревания и плавления, так и по кривой охлаждения и кристаллизации.

Для определения количества теплоты, выделившегося при кристаллизации металла, по кривой охлаждения и кристаллизации необходимо знать время кристаллизации и скорость отвода тепла от тигля с металлом . Время кристаллизации определяется как разность. Скорость отвода тепла от тигля с металлом не остается постоянной, так как зависит от разности температур тигля с металлом и окружающей среды. Однако при малом изменении температуры металла скорость отвода тепла примерно постоянна. Это дает возможность определить скорость отвода тепла по кривой охлаждения вблизи участка кристаллизации.

Учитывая, что ,

Где - удельная теплоемкость металла,- масса металла,- удельная теплоемкость тигля,- масса тигля.

Определив скорость отвода тепла, находим теплоту кристаллизации

Теплота, отданная металлом при кристаллизации, равна теплоте плавления.

Следовательно, удельная теплота плавления равна

Скорость охлаждения можно определить из следующих соображений. Известно, что остывание есть процесс релаксации температуры и происходит по экспоненциальному закону

Где - температура в начальный момент времени,- время остывания,- коэффициент пропорциональности. Дифференцируя это выражение получим

, откуда

Коэффициент можно определить из наклона прямой зависимости, откуда

;

Таким образом, подставляя выражение в формулу.получим

Где - температура начала кристаллизации,- время кристаллизации.

Следует иметь ввиду, что удельные теплоемкости твердой и жидкойфаз несколько отличаются друг от друга. Поэтому при вычислении отводимой мощности при температуре кристаллизации нужно угловой коэффициентдляумножать на удельную теплоемкость твердой фазы, или угловой коэффициент в точкеумножать на теплоемкость жидкости фазы.