Лабораторная работа №78.

Определение изменения энтропии твердого тела при нагревании и плавлении

Составитель: О. В. Сергеева, к.ф.-м.н., доцент

Рецензент: И. А. Малиненко, к.ф.-м.н., доцент

Цель работы: ознакомиться с фазовыми переходами первого рода.

Задачи:

1. Получить диаграммы нагревания - плавления, охлаждения - кристаллизации олова

2. Определить температуру плавления олова

3. Рассчитать изменение энтропии олова при нагревании и плавлении.

Оборудование: установка ФПТ1-11, состоящая из приборного блока (БП-11) с устройствами управления и блока рабочего элемента (РЭ-11), содержащего исследуемый материал – олово, нагреватель и датчик температуры.

Теоретическое ведение Фазовые переходы первого и второго рода

Фазами системы называются ее однородные части, которые находятся в физически различных состояниях и отделены друг от друга границами раздела. Например, в закрытом сосуде заключена некоторая масса воды, в которой плавают кусочки льда и над которой находится смесь воздуха с водяными парами. Эта система является трехфазной. Она состоит из твердой фазы (лед), жидкой (вода) и газообразной (смесь воздуха с водяными парами).

Фазовым превращением, или фазовым переходом, называется переход вещества из одной фазы в другую. Различают два типа фазовых переходов.

Фазовые переходы первого рода – фазовые превращения, при которых скачкообразно изменяются такие характеристики вещества, как плотность, удельный и молярный объем, концентрации компонентов и, что особенно характерно, выделяется или поглощается теплота, называемая скрытой теплотой перехода. Примерами таких переходов являются превращения вещества из одного агрегатного состояния в другое, например, процессы плавления, кристаллизации и т.д.

Фазовые переходы второго рода – фазовые превращения, при которых нет скрытой теплоты перехода, не происходит поглощения и выделения теплоты и изменения объёма. Но при этих фазовых переходах скачкообразно изменяются теплоемкость, удельная электрическая проводимость, вязкость и некоторые другие характеристики вещества. В результате таких фазовых переходов одновременно могут сосуществовать две фазы, отличающиеся например, модификациями кристаллической решетки. Явление сосуществования твердого вещества в различных модификациях называется полиморфизмом. Примерами фазовых переходов второго рода являются, например, переход металлов в сверхпроводящее состояние, переход вещества из ферромагнитного в парамагнитное состояние и др.

Полиморфизм олова

Олову присущ полиморфизм. Это вещество существует в двух модификациях: обычное (или белое) олово и порошкообразное серое олово. При температуре выше 18^о С устойчивой модификацией является белое олово, а при температуре меньше 18^о С - серое олово. В обычных условиях зародышей серого олова в белом олове нет. Но при достаточно низких температур зародыши серого олова начинают самопроизвольно появляться в белом. С ростом температуры, например в результате потепления, скорость перехода серого олова в белое начинает возрастать и достигает своего максимального значения при 0^о С , из-за чего оловянный слиток может рассыпаться в порошок. Это явление получило название «оловянной чумы».

В истории человечества известны случаи, когда оловянная чума приводила к трагикомическим, а иногда и к трагическим последствиям. Так, после одной из суровых зим в конце XIX века в Петербурге на складе военной амуниции, где хранился запас оловянных солдатских пуговиц, после потепления несколько пуговиц потемнело. В этих пуговицах в результате полиморфного превращения начали появляться зародыши серого олова. «Зараженные» пуговицы передавали «заболевание» соседним, и через несколько дней весь запас пуговиц превратился в кучу серого порошка.

Трагическая история произошла в прошлом веке с антарктической экспедицией Р. Скотта (1868-1912), когда из-за «оловянной чумы» произошло разрушение оловянной тары с горючим. Достигнув Южного полюса, полярники не смогли вернуться на базу и погибли.