2.14. Лабораторная работа №14

ИЗУЧЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНТРОПИИ В ИЗОЛИРОВАННОЙ СИСТеме

Цель работы:исследование приращения энтропии в необратимых адиабатных процессах.

Приборы и принадлежности:калориметр с мешалкой, нагреватель, термометр с ценой деления 0.1°С, бачок с водой, мензурка вместимостью 100–150мл, набор из пяти исследуемых образцов: №1 – свинцовый, №2 – медный, №3 – стальной, №4 – алюминиевый, №5 – оловянный; весы технические, набор гирь.

ТЕОРИЯ МЕТОДА И ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Для описания поведения термодинамических систем Клаузиус ввел функцию параметров состояния S, названную им энтропией. Для вы­числения изменения энтропииS рассматриваемый процесс делится на достаточно малые участки, в пределах которых температуруТсистемы можно считать постоянной. Элементарное приращение энтропииdSна таком участке приравнивается приведенному количеству теплотыdQ/T, сообщенному при этом системе или отнятому от нее:

.

Полное изменение энтропии в каком–либо процессе вычисляется путем интегрирования ее элементарных приращений dSпо всему про­цессу от начального состояния 1 до конечного 2:

, (1)

где dQ –элементарный приток теплоты в систему, Т – термодинами­ческая температура системы. При вычислениях подынтегральное выра­жение (1) и пределы интегрирования преобразуют с помощью величин, характеризующих рассматриваемый процесс.

Пользуясь понятием энтропии, основное содержание второго нача­ла термодинамики можно сформулировать следующим образом: любой процесс в изолированной системе подчиняется условию:

S  0 , (2)

где S– изменение энтропии системы, при этом, если процесс обра­тим, в выражении (2) имеет место знак равенства, если необратим – знак неравенства. Таким образом,Sв изолированной системе может служить мерой необратимости протекающих в ней процессов: чем мень­шеS, тем ближе процесс к обратимому.

В данной работе предлагается измерить изменение энтропии изо­лированной системы, в которой происходит необратимый процесс теп­лообмена.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 20. Она включает в себя исследуемый образец 1, опущенный посредством проб­ки 7 в сосуд с водой 3, нагреваемый при помощи электроплитки 2. Теплообмен происходит при перенесении и опускании исследуемых об­разцов, нагретых до одной и той же температуры Т(температуры ки­пящей воды по шкале Кельвина), из сосуда 3 в воду, находящуюся в калориметре 4 при температуреТ₁. Наличие внешнего стакана калориметра делает систему практически изолированной. В теплообмене участвуют четыре тела:1. Испытуемый образец массойm_т , удельной теплоемкостьюc_т , и начальной температуройТ = 373К.2. Ста­кан калориметра массойm_к, удельной теплоемкостьюc_ки начальной температуройТ₁.3. Мешалка 6 (рис. 20) массойm_м, удельной теп­лоемкостьюc_ми начальной температуройТ₁.4. Вода, находящаяся в калориметре, имеет массуm_в, удельную теплоемкостьc_ви на­чальную температуруT₁.

Р и с. 20

После теплообмена установится температура Т₀. При этом энтро­пия каждого из тел изменится следующим образом:

для первого тела ;

для второго тела ;

для третьего тела ;

для четвертого тела .

Учитывая свойство аддитивности энтропии, можно рассчитать изменение энтропии всей системы:

. (3)

По этой формуле проводятся расчеты.

ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ

1.Определите при помощи технических весов массы исследуемых образцов m_Т, калориметраm_К, мешалкиm_М.

2.Налейте в сосуд 3 наполовину воды и поместите в него иссле­дуемый образец известной массы. Образец на шнуре закрепляется при помощи пробки, вставляемой в крышку сосуда 3.

3.Поставьте сосуд на электрическую плитку и включите ее в сеть.

4.Налейте в стакан калориметра 4 100 млводы, отмерив нуж­ный объем мензуркой.

5.Через 5 минут после того, как вода в нагревателе закипит, измерьте температуру воды Т₁в калориметре.

6.Затем быстро перенесите и опустите исследуемый образец в калориметр, закрыв его крышкой. Оставьте его подальше от нагрева­теля и следите за повышением температуры воды по термометру 5.

7.Когда рост температуры замедлится, сделайте 4–5 перемешива­ний при помощи мешалки. Отсчитайте наибольшее значение температуры T₀.

8.По измеренным данным, пользуясь формулой (3), найдите изменение энтропии. Теплоемкости калориметра c_Ки мешалкис_М принять равными 896Дж/(кгК)(алюминий). Результаты измерений и вычисле­ний занесите в таблицу 17.

Таблица 17

№ образца	mТ,кг	cТ,Дж/(кгК)	T1, K	T0, K	S,Дж/К
1- свинец		130
2- медь		395
3- сталь		460
4- алюминий		896
5- олово		230

9.Вылейте воду из калориметра и дайте ему охладиться. Для ус­корения охлаждения можно воспользоваться водой комнатной темпера­туры. Повторите измерения с другими телами (масса воды во всех опытах должна быть одинаковой m_В= 100г.

10.Постройте график зависимости Sот молярной теплоемкости испытуемых телC = с_Т,_Т, сделайте выводы. Для определения молярной массы_Тиспытуемых образцов воспользуйтесь периодической системой химических элементов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Приведите различные формулировки второго начала термодинамики.

2.Дайте определение энтропии. В чем ее статистический смысл?

3.Какие процессы называют обратимыми и необратимыми, равно­весными и неравновесными?

4.Энтропию как и энергию называют функцией состояния. Что это значит?

5.Составьте уравнение теплового баланса для исследуемой термодинамической системы, пользуясь экспериментальными данными, полученными по одному из предложенных образцов.

6.Изобразите обратимый цикл Карно в диаграмме T–Sи получите выражение для его термического КПД.