Механика. Термодинамика 2007

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №16

Проверка закона возрастания энтропии в процессе теплообмена

Методика эксперимента

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.

К-калориметр, Тр-термометр, Т-тело

Рис.1

Нагретое в кипящей воде тело Т переносят в калориметр К с холодной водой. Происходит теплообмен, который приводит к выравниванию температуры.

Пусть Т1, mT, CT - соответственно температура, масса и удельная теплоѐмкость нагретого тела; Т2, тk , Сk , тв , Св - температура, массы и удельные теплоѐмкости материала калориметра и воды в калориметре;

- установившаяся температура воды после теплообмена. Изменение энтропии нагретого тела

Q

C

m

dT

S1

T

T

CT

mT

ln

T

T T

(1)

1

T

T

1

1

Так как

1 , то

S

0 .

T1

1

Изменение энтропии калориметра и воды

Q

(C m C m )

S

T

k

k

T

в

в

dT (C

m

C

m ) ln

T

(2)

2

k

k

в

в

T

T

2

2

2

31

CT mT

Так как

1

, то S

0 .

T2

2

Изменение энтропии всей системы

S S S

C

m ln

(C

m C

m ) ln

(3)

2

k

в

1

T

T

T1

k

в

T2

Температуру нагретого тела Т1 можно принять равной температуре кипения воды. Еѐ определяют, воспользовавшись таблицей зависимости температуры кипения от давления, которое

определяют по барометру. Температуры и Т2 определяют по термометру Тр. ( см. рис. 1). Масса калориметра написана на нѐм, заданное количество воды измеряют мензуркой, теплоѐмкости воды, материала калориметра взяты из таблиц и указаны на лабораторной установке.

Теплоѐмкость тела, опускаемого в калориметр, можно найти из уравнения теплового баланса

CT mT (T1 ) (Ck mk Cв mв )( T 2)

(4)

В работе предлагается рассчитать изменение энтропии при опускании в воду нескольких тел из различного материала и

разной массы. С возрастанием произведения

увеличиваются местные неоднородности в распределении энергии в системе, возрастает степень отклонения ее состояния от равновесия. Поэтому при протекании теплообмена, приводящего систему в равновесие, изменение энтропии должно возрастать с

увеличением CT mT , если начальная температура и масса воды одинаковы во всех опытах.

Порядок выполнения работы

1.Определите массу тел по таблице (тела промаркированы )

2.Заполните сосуд, в котором будет нагреваться тело, достаточным количеством воды и поместите в него испытуемое тело.

3.Поставьте сосуд на электроплитку и включите еѐ.

4.Налейте в калориметр 200см3 воды.

5.Отметьте температуру воды Т2 по термометру, опущенному в калориметр.

6.Через 3-5 минут после того, как вода в сосуде закипит, крючком

быстро перенесите нагретое тело в калориметр.

7. Закройте калориметр крышкой и следите за ростом

32

температуры, запишите наибольшее значение - .

8.Повторите опыт еще с двумя телами, не забывая следить, чтобы маcca и начальная температура воды в калориметре были одинаковыми во всех опытах.

9.Результаты измерений занесите в таблицу 1 рабочей тетради.

10.Из формулы (4) найдите теплоѐмкости тел.

11.По формуле (3) рассчитайте изменение энтропии всей системы.

12.Результаты расчѐтов занесите в таблицу 2.

13.Постройте график зависимости S от CT mT

14.Сделайте выводы.

33