Laboratornye / Теплота_PDF / Lab_Mol_14

Лабораторна робота № 14

ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМОЇ ТЕПЛОТИ ПЛАВЛЕННЯ ОЛОВА

Мета роботи. Визначити експериментально методом кривих охолодження питому теплоту плавлення олова.

14.1. Теорія методу та опис приладів

Одним з методів вимірювання питомої теплоти плавлення речовини є зняття її кривої охолодження з розплаву за умови сталої температури навколишнього середовища та незмінного тиску. Досліджуючи процес кристалізації розплавленого олова отримують графік залежності температури досліджуваного тіла від часу (рис. 1).

T , ° C			1
T1
T2			2	3
T4					4
						, ° C
	1		2	3	4
				Рис. 1
Відрізок 1 - 2 відповідає охолодженню рідкої фази від початкової температури
T1 до температури		кристалізації		T2 за проміжок часу	τ = τ2 – τ1, де τ1 і τ2

відповідно час початку експерименту та час початку кристалізації. Пряма 2 - 3 відображає процес кристалізації речовини, який відбувається при сталій температурі. Цей процес триває до того часу поки все приховане тепло, що виділяється при кристалізації, не передається оточуючому середовищу. Крива 3 - 4 відповідає охолодженню твердого тіла від температури кристалізації до кінцевої температури досліду T4 протягом часу τ = τ4 – τ3, де τ3 – час початку процесу охолодження кристалічного олова, а τ4 – час закінчення експерименту.

У методі кривих охолоджень вважається, що питома теплота плавлення дорівнює питомій теплоті кристалізації, що не справджується лише для високомолекулярних сполук. Крім того вважають, що швидкість тепловіддачі у навколишнє середовище олова з тиглем в інтервалі кристалізації 2 - 3 має середнє значення між швидкостями тепловіддачі на ділянках 1 - 2 та 3 - 4. При обробці експериментальних даних реальні криві охолодження 1 - 2 та 3 - 4 замінюють ідеалізованими прямими.

Кількість теплоти, що віддає зразок масою m разом з тиглем масою m1 до

кристалізації дорівнює:
Q (mc m1c1 ) (T1 T2 ) ,	(14.1)

де c і c1 – теплоємність олова і сталі (заліза), відповідно.

Швидкість тепловіддачі на цій ділянці досліду, тобто кількість теплоти, що віддається в оточуюче середовище за одиницю часу, визначимо:

1

		Q1			(mc m1c1 ) (T2 T4 )
2		1							.	(14.2)
Аналогічно швидкість тепловіддачі тигля з оловом після кристалізації
дорівнює:
		Q2				(mc m1c1 ) (T2 T4 )
4		3							.	(14.3)

В рівняннях (14.2) і (14.3) питома теплоємність олова c в рідкому розплаві та кристалічному стані вважається однаковою.

Швидкість тепловіддачі розплавленого олова з тиглем під час кристалізації знайдемо як середнє арифметичне виразів (14.2) і (14.3); а множенням цієї величини

на час кристалізації τ = τ3 – τ2		отримаємо кількість теплоти, що виділилась при
кристалізації олова:			[(mc m c ) ( T T )]
q m		1
		2			1	1
											,	(14.4)
де q – питома теплота плавлення олова; T = T1 – T2, а											T' = T2 – T4.
З останнього виразу отримаємо остаточний вираз для питомої теплоти
плавлення олова:							T )]
[(mc m c ) ( T
q		1		1
				2 m
									.			(14.5)

Таким чином для експериментального визначення питомої теплоти плавлення олова необхідно нагріти олово з тиглем 1 в печі 2 (рис.2) до температури, що перевищує температуру плавлення на 100 - 120°С, вимірюючи її термопарою 3, під’єднаною до мілівольтметра 4.

		3
	6
4	2	1
		7
	5

Рис. 2. Схема установки для визначення питомої теплоти плавлення олова.

Переставивши гарячий тигель з оловом за допомогою спеціального тримача на керамічну підставку 5, зануривши спай термопари в розплав, закріплюють термопару на штативі 6 і знімають криву охолодження олова, користуючись секундоміром. За отриманими експериментальними даними будують графік залежності температури олова від часу.

2

З графіка визначають середні значення швидкостей охолодження T та T '

'

на ділянках розплавленого та закристалізованого олова, а також час кристалізації τ олова. Зважуванням тигля з оловом визначають масу олова m (маса тигля m1 = 0,040 кг). Середнє значення питомої теплоємності олова до і після кристалізації вважають рівним c = 257,8 Дж/(кг·К). Значення питомої теплоємності сталі (заліза) с1 знаходять за таблицями в збірниках або практикумах з фізики. Отримані дані підставляють в формулу (14.5) і розраховують питому теплоту плавлення олова q.

Література

1.Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: навч.

посібник. – Т.1. – К. – 2006. – С. 505 – 509.

2.Бушок Г.Ф., Венгер Є.Ф. Курс фізики. Т. 2. – 2001. – С. 380 – 383.

3.Елементарний підручник фізики. За ред. Г.С. Ландсберга. Т.1. – К. –

1968. – С. 463 – 569.

4. Гапчин Б.М., Дутчак Я.Й., Френчко В.С. Молекулярна фізика. Лабораторний практикум: Навч. посібник. – Львів, 1990. – С. 174 – 176.

14.2. Контрольні запитання для визначення ступеня готовності студента

до виконання роботи

1.Які заходи безпеки потрібно вжити під час виконання досліду?

2.Що називають питомою теплотою плавлення (кристалізації)?

3.Для чого потрібно нагрівати досліджуване тіло до температури яка перевищує температуру плавлення?

14.3. Практичне виконання роботи

Прилади, обладнання

1. Електрична тигельна піч зі сталевим тиглем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт.

2. Трансформатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт. 3. Олово. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт. 4. Термопара, прикріплена до штативу. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт. 5. Мілівольтметр. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт. 6. Керамічна підставка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт. 7. Секундомір. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт. 8. Тримач. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт.

Вимірювання та обробка результатів

1.Зважити на терезах тигель з оловом і визначити масу олова m, віднявши

із сумарної маси масу тигля m1 = 4·10-2 кг.

2. Розмістити тигель з оловом у тигельну піч, і ввімкнути її в електричну мережу.

3

3.Розташувати термопару зі штативом так, щоб спай термопари торкався олова в тиглі.

4.Контролювати температуру олова, користуючись графіком та показами мілівольтметра, до якого приєднана термопара, (графік додається).

5.Коли температура олова досягне значень 330 - 350°С, вийняти термопару з олова і, користуючись тримачем, - обережно! - перенести тигель з печі на керамічну підставку.

6.Занурити спай термопари в розплавлене олово на глибину кількох міліметрів, зафіксувати термопару на штативі, ввімкнути електронний секундомір для відліку часу.

7.Записувати покази мілівольтметра термопари через кожні 20 с, доки температура не досягне значень 120 - 150°С.

8.Переставити тигель з оловом і термопарою в піч і після плавлення олова вийняти спай термопари з олова. Вимкнути піч з електричної мережі.

9.Користуючись графіком для термопари перевести отримані покази мілівольтметра у відповідні значення температури в °С.

10.За отриманими даними побудувати графік залежності температури

олова від часу, подібний до зображеного на рис. 1.

11. Визначити з				графіка середні значення швидкостей охолодження
розплавленого	T	і	T '	закристалізованого олова та час кристалізації τ олова.
			'

12. Розрахувати питому теплоту плавлення олова за формулою (14.5) і занести результати вимірювань та обчислень до таблиці.

Звітна таблиця

№ п/п

m, кг

с,

Дж

m1, кг

с1,

Дж

T

,

К

T '

,

К

τ, с

q,

Дж

кг К

кг К

с

'

с

кг

14.4. Орієнтовні контрольні запитання і тестові завдання для оцінювання якості виконання і захисту лабораторної роботи

1.Дати означення термодинамічної фази.

2.Що називається фазовим переходом 1-го роду?

3.Які ознаки фазових переходів другого роду?

4.Вказати відмінності між фазовими переходами першого і другого роду.

5.Навести приклади переходів першого і другого роду.

6.Записати рівняння Клапейрона-Клаузіуса та застосувати його для пояснення баричної залежності температури плавлення нормальних та аномальних тіл.

7.Вивести робочу формулу (14.5) для розрахунку питомої теплоти плавлення методом кривих охолодження.

4