физика лаб работа 19
.pdfПротекание в изолированной системе необратимого процесса приводит к росту энтропии: dS > 0, тогда в ходе необратимого процесса:
|
′ |
|
|
dS > |
d Q |
. |
(35) |
|
|||
|
T |
|
|
Под температурой Т здесь понимается температура теплового резервуара, от которого данная система получает количество теплоты d′Q.
Объединим формулы (35) и (34) в одно неравенство, оно носит название неравенство Клау-
зиуса:
|
′ |
|
|
dS ≥ |
d Q |
. |
(36) |
|
|||
|
T |
|
|
Клаузиус сформулировал второе начало термодинамики таким образом:
Невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход некоторого количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.
Другими словами, теплота не может самопроизвольно переходить от холодных тел к горячим. Не следует представлять дело так, что второе начало термодинамики вообще запрещает переход теплоты от тела менее нагретого, к телу более нагретому. (Например, в домашнем холодильнике как раз и происходит такой переход. Однако этот переход не является единственным результатом процесса. Он сопровождается изменениями в окружающих телах, связанными с совершением работы копмрессором над рабочей жидкостью холодильника).
При абсолютном нуле температуры всякое тело, как правило, находится в состоянии, стати-
стический вес которого равен единице – ln Ω = 0 . Тогда из формулы (36) следует: |
|
S = k ln Ω = 0 , |
(37) |
что энтропия в этом случае равна нулю.
Отсюда следует, что энтропия любого тела стремится к нулю при стремлении к нулю
температуры:
lim S = 0 , |
(38) |
T →0 |
|
Утверждение (38) называют теоремой Нернста, или третьим началом термодинамики.
4.2.Вывод расчетной формулы
Вданной лабораторной работе для расчёта приращения энтропии в процессе плавления твёрдого тела (сплава) нам будет необходимо: 1) определить время плавления сплава - t ; 2) рассчитать количество теплоты Δ′Q, поглощаемое твёрдым телом (сплавом) в процессе плавления; 3) определить температуру плавления сплава..
Время плавления определяем по графику зависимости температуры нагрева сплаваот времени нагревания – Т = f(t). Особенностью процесса плавления является постоянство температуры
– Тплав. Количество теплоты – Δ′Q, полученное сплавом в процессе плавления, можно рассчитать двумя способами. С одной стороны:
′ |
S . |
(38) |
Q =Tпл |
С другой, это же количество теплоты сплав получит от электронагревателя за время плавления, т.е. его можно рассчитать по формуле (39):
Q = η IU t , |
(39) |
где η – коэффициент полезного действия нагревателя установки, обеспечивающей передачу количества теплоты от нагревателя к расплавляемому телу;
I и U - сила тока и напряжение на нагревателе; t- интервал времени плавления.
Левые части выражений (38) и (38) равны, следовательно равны и правые, тогда среднее значения приращения энтропии ( S) в процессе плавления рассчитаем по формуле (40):
11
S = |
η I U t . |
(40) |
|
Tплав |
|
Абсолютную погрешность измерения приращения энтропии рассчитывать по формуле (41):
( S) =< S > |
|
( |
t) 2 |
|
|
T |
|
2 |
(41) |
|
|
|
+ |
|
пл |
. |
|||
|
|
t |
|
|
Тпл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Погрешность T принять равной цене деления соответствующей шкалы на графике зависи- |
|||||||||
мости Т = f(t), а погрешности измерения времени плавления |
t принять равной 1 секунде. |
|
|||||||
5. Описание экспериментальной установки
Описание схемы экспериментальной установки приведено на рисунке 1.
В фарфоровом тигле 1 находится испытуемое вещество 2 (сплав Розе, m = 200 г) при комнатной температуре в твёрдом состоянии. Сплав нагревается при помощи электронагревателя 3 от сети. Температура вещества измеряется при помощи термопары 4. Результат измерений – график зависимости Т = f(t) – выводится на монитор.
Рис. 1
12
Рис. 2. Вид экспериментальной установки
6. Программа эксперимента (порядок выполнения работы)
1.Включить установку кнопкой «Пуск» на приборе.
2.Запустить программу «L-phys» на рабочем столе монитора. На экране появится заставка «Физический практикум».
3.В разделе «Список опытов» выбрать эксперимент «Плавление и отвердевание тел». Запустить программу (кнопка «Запуск» в меню программы).
4.При достижении температуры 100°С остановить программу кнопкой «Стоп» и выключить установку.
5.По графику зависимости температуры от времени на экране монитора записать данные времени и температуры по точкам, через каждые 30 секунд, до температуры 100◦С. Данные t и T заносить в таблицу.
6.После окончания измерений выйти из программы «L-phys» (кнопка «Выход»).
Примечание: установка автоматически отключается после 16 мин. работы!
7.Запустите тест отчета по лабораторной работе и внесите измеренные данные в таблицу.
В вашем отчёте по полученным данным автоматически будет создан график зависимости T от t. Определить по нему длительность процесса плавления – t и температуру – Tпл – плавления.
8.Рассчитать по формуле (40) приращение энтропии в процессе плавления исследуемого сплава. Значения силы тока, напряжения и коэффициента полезного действия установки указаны на лицевой панели прибора.
9.Оценить её абсолютную погрешность – формулы (41) и (42). (При этом можно использовать средства EXEL.)
10.Заполнить электронный бланк отчёта. В выводах указать результаты вашего эксперимента. Обязательно приводить (в выводах) ошибки полученных значений (если они определялись согласно программе) и размерности величин. Дать анализ результатов: их
13
физический смысл, согласуются ли они с теоретическими ожиданиями, если нет, то каковы возможные причины расхождения, анализ зависимостей и графиков.
14
Потемкина Светлана Николаевна Павлова Анджела Петровна Панферов Александр Анатольевич
Методические указания к лабораторной работе №19 «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИРАЩЕНИЯ ЭНТРОПИИ ТЕЛА ПРИ ПЛАВЛЕНИИ»
Подписано в печать 03.03.2008. Формат 60x84/16 Печать оперативная. Усл.п.л. 1. Уч.-изд. л. 1.25.
Тираж 100 экз.
Тольяттинский государственный университет Тольятти, Белорусская, 14
15
16