9.2.Порядок выполнения работы

9.2.1.Измерьте диаметр трубки в различных направлениях не менее трех раз, результаты измерений занесите в табл.2.

9.2.2.Измерьте высоту h’ уровня жидкости в сосуде А.

9.2.3.Большим пальцем правой руки закройте отверстие трубки CD и опустите ее в положение 2, дайте возможность жидкости вытекать в слегка отодвинутый от конца трубки стакан М, измерьте высоту h от середины струи до стола.

9.2.4.Быстро перекройте струю пальцем, воду вылейте в сосуд А (левой рукой).

9.2.5.Освободите отверстие трубки CD и одновременно пустите секундомер, взятый в левую руку. Когда сосуд М заполнится приблизительно на три четверти объема, перекройте трубку и поднимите в положение 1.

9.2.6.Измерьте высоту уровня воды в сосуде А после опыта.

9.2.7.Повторите опыт три раза и результат представьте в виде

Таблица 2

№ пп	n	D, см	h’, см	h, см	t, с	h”, см	V, см3	∆ρ, дин/см2	η, г/см∙с	∆η, г/см∙с
1 2 3 Ср.

9.3.Контрольные вопросы

9.3.1.Какова природа внутреннего трения?

9.3.2.Дайте физический смысл коэффициента вязкости.

9.3.3.Как изменяется коэффициент вязкости от температуры?

9.3.4.Какие явления принято называть явлениями переноса? Почему их так называют?

Литература

1. Путилов К.А. Курс физики, т.1, Физматгиз, 1963.

2. Тодес О.М. и Зисман Г.А. Курс общей физики, т.1, М., «Наука», 1974.

3. Савельев И.В. Курс общей физики, т.1, М., «Наука», 1973.

4. Физический практикум под редакцией профессора Ивероновой, М., «Наука», 1967.

Лабораторная работа № 10

ИЗМЕНЕНИЕ ЭНТРОПИИ В ПРОЦЕССАХ ТЕПЛООБМЕНА

Цель работы: Экспериментальное определение изменения энтропии в процессах теплообмена между телами.

Приборы и принадлежности:

1. Калориметр.

2. Технические весы.

3. Разновес.

4. Термометры.

5. Плитка.

6. Химический стакан.

7. Мешалка.

8. Набор испытуемых тел.

10.1. Теоретическое введение

Первое начало термодинамики или закон сохранения энергии для термодинамических систем не исключает возможности процессов, которые в действительности не реализуются. Например, с помощью воздуха холодного помещения нельзя увеличить температуру горячей батареи водяного отопления, хотя такой процесс не противоречил бы первому началу термодинамики. Действительно, с точки зрения первого начала термодинамики батарея получит столько тепла, насколько уменьшится внутренняя энергия воздуха. Но самопроизвольно такой процесс не пройдет.

На направленность реально протекающих процессов указывает второе начало термодинамики: возможны процессы, единственным результатом которых являлся бы переход тепла от тел, менее нагретых к более нагретым.

Второе начало термодинамики может быть сформулировано также следующим образом: невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых явилось бы отнятие от тел некоторого количества тепла и превращение этого тепла полностью в работу.

Третья формулировка дает математическую интерпретацию второго начала термодинамики на основе некоторой функции состояния тел, называемой энтропией S. Приращение энтропии определяется приращенным теплом . Приведенным теплом называется отношение теплоты, полученной системой тел, к температуре, при которой эта передача осуществляется. Итак, в изолированных системах все процессы самопроизвольно могут протекать в направлении , где знак равенства справедлив для обратимых процессов, а для необратимых процессов – приращение энтропии всегда больше нуля.

Процесс называется обратимым, если система может вернуться в первоначальное состояние, пройдя в обратном порядке все промежуточные состояния, причем после окончания процесса не должно остаться никаких изменений в окружающей среде (процесс обратим даже, если обратный ему процесс не осуществлен, а только в принципе возможен). Реальные процессы связаны с обратимыми потерями. Процесс выравнивания температур тем ближе к обратному (dS – оставаясь всегда положительным, уменьшается), чем быстрее во всем объеме тел исчезают местные, локальные неоднородности температур соприкасающихся тел, рассчитанная на единицу объема, обратно пропорциональна теплоемкости тела.

Если в калориметр, содержащий определенное количество воды при заданной температуре, опустить нагретое тело, то произойдет теплообмен и установится общая температура. Если повторить опыт с теми же исходными данными, уменьшив теплоемкость погружаемого тела, то получим более близкий к обратному процесс. Степень его обратимости в изолированной системе определяется на основе измерения приращения энтропии dS.

Изменение энтропии системы запишем из следующих соображений: энтропия системы в начальном состоянии S₀ (воде, калориметр, термометр с начальной температурой Т₀ и нагретое до температуры Т₁ тело), а затем в конечном – S (тело погрузили в калориметр с водой и система приняла температуру Т, где T₀ < T < T₁). Тогда ∆S = S – S₀ и энтропия любого тела с температурой Т

(10.1)

где dQ = mcdT – количество тепла, которое пошло на нагревание тела массой m, причем удельная теплоемкость тела С – некоторая функция температуры.

Итак, энтропия в начальном состоянии равна сумме энтропией всех тел, составляющих систему. Непосредственно перед опытом

(10.2)

где энтропия воды;

энтропия калориметра;

энтропия термометра;

энтропия тела.

В начальном состоянии с учетом (10.1)

(10.3)

В конечном состоянии энтропия системы

(10.4)

По второму закону термодинамики при выравнивании температур в системе энтропия возрастает, т.е. dS > 0. Таким образом,

(10.5)

где dQ – для каждого тела определяется его теплоемкостью.

Для металлов теплоемкость растет по кубическому закону до температур порядка 150 К, затем медленнее, а при температурах 250 – 270 К практически постоянна. При дальнейшем возрастании температуры теплоемкость твердых тел очень медленно растет, меняясь в четвертом знаке после запятой. Поэтому в работе можно принять С_К, С_ТЕРМ, С_Т постоянными (табл.1).

Теплоемкость жидкостей в большинстве случаев выражается так: С = С₀ + αТ, где t – температура по шкале Цельсия, имеет порядок 10^-3. Поэтому при нагревании воды в процессе опыта на несколько градусов, можно не учитывать зависимость ее теплоемкости от температуры (табл.1).

С учетом вышесказанного имеем

(10.6)

Таблица 1

Вещество	Вода	Калориметр	Термометр	Латунь	Сталь	Медь	Олово	Свинец
С (Дж/кг·К)	4185	878	192	383	470	394	231	125

Произведя опыт с различными телами, вычислите изменение энтропии ∆S и удостоверьтесь, что второй закон термодинамики выполняется, т.е. в процессе выравнивания температур энтропия возрастает (∆S >0).