График удельной теплоты плавления олова

Определение удельной теплоты плавления олова

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 32

Определение удельной теплоты плавления олова

Оборудование: тигель с исследуемым металлом (олово), термопара, электрическая плитка, градуировочная кривая термопары, секундомер.

Термодинамическая фаза— термодинамически равновесное состояние вещества, качественно отличающееся по своим физическим свойствам от других равновесных состояний того же вещества.

Переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий называется фазовым переходом. Поскольку разделение на термодинамические фазы — более мелкая классификация состояний, чем разделение по агрегатным состояниям вещества, то далеко не каждый фазовый переход сопровождается сменой агрегатного состояния. Однако любая смена агрегатного состояния есть фазовый переход.

Различают фазовые переходы первого и второго рода. При осуществлении фазового перехода первого рода поглощается или выделяется теплота. Наиболее распространённые примеры фазовых переходов первого рода:

    плавление и кристаллизация; кипение и конденсация.

Фазовые переходы второго рода не сопровождаются выделением или поглощением теплоты перехода. Происходит лишь скачок теплоёмкости и других физических свойств. Наиболее распространённые примеры фазовых переходов второго рода:

    переход металлов и сплавов в состояние сверхпроводимости; переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние; переход аморфных материалов в стеклообразное состояние.

Рассмотрим плавление и кристаллизацию. Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением. Обратный процесс называется кристаллизацией. Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления вещества. Температура плавления для данного вещества при одинаковых условиях одинакова.

При плавлении температура вещества не меняется, т. е. процесс протекает изотермически. Однако это не значит, что в процессе плавления к телу не надо подводить энергию. Опыт показывает, что если подача энергии путем теплообмена прекращается, то прекращается и процесс плавления. При плавлении подводимая к телу теплота идет на уменьшение связей между частицами вещества, т. е. на разрушение кристаллической решетки. При этом уменьшается энергия взаимодействия между частицами. Небольшая же часть теплоты при плавлении расходуется на совершение работы по изменению объема тела, так как у большинства веществ при плавлении объем возрастает. В процессе плавления к телу подводится некоторое количество теплоты, которая называется теплотой плавления. Теплота плавления пропорциональна массе расплавившегося вещества:

,

где величина λ называется удельной теплотой плавления вещества. Удельная теплота плавления показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы расплавить 1 кг данного вещества при температуре плавления. Она измеряется в Дж/кг.

Построим диаграмму плавкости. Для этого на оси абсцисс откладываем время, а на оси ординат – температуру (рисунок 1). Температура повышается сначала быстро, затем медленнее. Чем выше температура, тем больше потеря теплоты в окружающее пространство; поэтому происходит замедление нагрева.

При некоторой температуре Тпл начинается процесс плавления и, пока он идёт, температура не меняется. На кривой плавкости получается горизонтальная линия.

Рисунок 1 – Диаграмма плавкости

Наличие этой линии показывает, что в это время происходит изотермическое плавление и вся притекающая теплота идёт на разрушение кристаллической решётки. Когда плавление закончится, образуется жидкая фаза, и её температура начинает повышаться. Если в некоторый момент прекратить нагрев жидкости и начать её охлаждать, то кривая пойдёт вниз. Когда температура понизится до Тпл, начнётся процесс кристаллизации.

Процесс кристаллизации протекает с выделением теплоты кристаллизации, которая равна теплоте плавления. Пока происходит кристаллизация, пока атомы и молекулы жидкой фазы образуют кристаллическую решётку, соединяясь друг с другом, температура останется неизменной. Когда процесс кристаллизации закончится, прекратится выделение теплоты кристаллизации и тело начнёт охлаждаться.

Теория метода

Рассмотрим график зависимости температуры олова от времени его охлаждения (рисунок 2). Для определения скрытой теплоты кристаллизации заменим реальный график идеализированным, соединив точки А и В, С и D прямыми.

Читайте также:  Время нагревания олова до температуры плавления

Рисунок 2 – АВ – остывание жидкого олова до начала кристаллизации; ВС – кристаллизация олова; СD – охлаждение твёрдого олова

Количество теплоты q1,отдаваемое в среднем жидким оловом вместе с тиглем при остывании равно

(1)

где с1=2,66∙102Дж/(кг∙град) – удельная теплоёмкость жидкого олова, т1 — масса олова, с2 – удельная теплоёмкость тигля, т2 — масса тигля, Т2=231,90С – температура плавления олова.

При остывании твердого олова в единицу времени отдается количество теплоты q2 :

(2)

где — удельная теплоемкость твердого олова.

Количество теплоты, израсходованное в единицу времени на кристаллизацию, равно:

(3)

где λ — удельная теплота плавления (кристаллизации).

Величина может быть определена как среднее арифметическое между и

(4)

Подставляя значения и из уравнений (1), (2), (3) в выражение (4), после преобразований получим:

(5)

Описание установки

Рисунок 3 – Установка для определения удельной теплоты плавления олова

На рисунке 3: 1 – тигель с оловом, 2 – электроплитка, 3 – термопара.

Рисунок 4 – Милливольтметр и градуировочная кривая термопары

1. Определить взвешиванием массу олова и тигля.

2. Тигель с оловом поместить на электроплитку. Когда олово расплавится, в него для измерения температуры погрузить термопару, присоединенную к милливольтметру, и довести температуру до 2500С. Плитку выключить.

3. Через каждые 5секунд записывать показания милливольтметра до охлаждения олова до 2000С, после чего тигель вновь нагреть для извлечения из него термопары.

1. Используя градуировочный график милливольтметра (на установке), сделать перевод полученных показаний прибора в градусы по шкале Цельсия.

2. Построить на миллиметровой бумаге зависимость температуры от времени .

3. Определить из графика температуры и моменты времени , , , соответствующие точкам А, В, С и D (см рисунок 2).

4. Вычислить по формуле (5) удельную теплоту плавления олова.

1. Сформулируйте определение термодинамической фазы.

2. Дайте определение фазового превращения.

3. Фазовым переходом второго или первого рода является кристаллизация?

4. Объясните динамику процесса кристаллизации.

5. Что называется удельной теплотой плавления? Каковы её единицы измерения?

6. Как изменится период времени с уменьшением температуры окружающей среды?

7. Объясните, почему

1. Телеснин физика. Учеб. пособие для университетов. СПб: Лань, 2009.

2. Курс физики. Учебник для вузов/под. ред. проф. . СПб: Лань, 2006. Т.2

3. . Краткий курс физики. Учебное пособие для вузов. М: Высшая школа, 2009.

4. . Основы физики. Книга 2. Молекулярная физика. Термодинамика. Учебник для вузов. М: Высшая школа, 2009.

Источник

График плавления и отвердевания кристаллических тел

Содержание

Если вещество в твердом состоянии будет отдавать энергию – оно будет остывать. При этом с определенной температуры начинает происходить процесс плавления – тело переходит из твердого состояния в жидкое.

Если же мы будем сообщать энергию жидкости (нагревать ее), то с определенной температуры начнется процесс отвердевания (кристаллизации). Жидкость перейдет в твердое состояние.

Процесс плавления кристаллического тела довольно сложный. Для того, чтобы более детально его изучить, мы рассмотрим график зависимости температуры твердого тела от времени его последовательного нагревания и охлаждения.

График плавления льда и отвердевания воды

В качестве кристаллического тела будем рассматривать лёд. График плавления льда и отвердевания воды изображен на рисунке 1. Здесь по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной – температура льда. Для нагревания льда будем использовать обычную горелку.

Рисунок 1. График зависимости температуры льда от времени нагревания

Разберем каждый участок графика.

  1. Точка A
    Это наша начальная точка, начало наблюдения за процессом. Здесь температура льда была равна $-40 \degree C$
  1. Участок AB
    Идет нагревание льда, его температура увеличивается с $-40 \degree C$ до $0 \degree C$
  1. Точка B
    Достигнув температуры $0 \degree C$, лед начинает плавится. Это его температура плавления.
  1. Участок BC
    Лед плавится, но его температура в это время не увеличивается. Процессу плавления соответствует именно этот участок графика.

В течение всего времени плавления температура льда не меняется, хотя мы продолжаем его нагревать

  1. Точка C
    В этот момент весь лед расплавился и превратился в воду
  1. Участок CD
    На это участке графика идет нагревание воды до $+40 \degree C$
  1. Точка D
    Вода имеет температуру $+40 \degree C$. В этот момент мы выключаем горелку
  1. Участок DE
    Температура воды снижается, она охлаждается
  1. Точка E
    Температуры воды достигает $0 \degree C$. Начинается ее отвердевание (кристаллизация)
  1. Участок EF
    На этом участке графика идет процесс отвердевания (кристаллизации) воды.

Пока вся вода не затвердеет, ее температура не изменится

  1. Точка F
    В этот момент вся вода превратится в лёд
  1. Участок FK
    Температура льда понижается
Читайте также:  Удельная теплота плавления олова равна 59 кдж кг что это значит

Графики плавления олова и свинца

На графиках часто указывают какой-то один процесс (либо отвердевание, либо плавление), но для нескольких веществ. Это делается для наглядного сравнениях их свойств.

Подобный график представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Графики для процесса плавлении олова и свинца

Процесс плавления олова соответствует участку CD, а процесс плавления свинца – участку AB.

Участок AB находится выше участка CD. Это означает, что свинец имеет большую температуру плавления, чем олово. На графике отмечены эти температуры. Для свинца это $327 \degree C$, а для олова $232 \degree C$.

Также мы можем судить о времени процесса плавления. Участок AB имеет большую длину, чем участок CD. Значит, свинец плавился большее время, чем олово. При этом, свинец начал плавиться раньше.

Источник

Графики плавления и отвердевания

Урок 15. Физика 8 класс

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Графики плавления и отвердевания»

График плавления и отвердевания тела показывает нам все этапы процесса. Из него мы можем извлечь информацию о температуре плавления тела, например, о том, как долго это тело потребовалось нагревать, чтобы достичь той или иной температуры. Для понимания того, как строятся подобные графики, рассмотрим некоторые примеры.

На рисунке представлен график плавления и отвердевания железа.

В начальный момент времени, температура была равна 1200 о С, и пока она не достигла 1539 о С, плавление не началось. Молекулы сохраняли свой порядок, что характерно для твёрдого тела. По достижении температуры плавления, порядок нарушается, поскольку тело переходит в жидкое состояние. Его температура какое-то время остаётся постоянной, о чем свидетельствует горизонтальный участок графика. После того, как железо полностью расплавилось, температура снова начала увеличиваться. Порядок полностью нарушился, поскольку этот участок графика соответствует периоду, когда железо было полностью жидким. Достигнув отметки 1880 о С, железо перестали нагревать, и температура начала падать. Достигнув температуры кристаллизации, железо начало твердеть. Это заняло какое-то время, в течение которого температура вновь не менялась, начал восстанавливаться порядок. После этого, температура стала ниже температуры отвердевания, и железо вновь стало полностью твёрдым, а порядок молекул восстановился. Этому соответствует последний участок графика.

1. Построить график плавления олова. Температура плавления составляет 232 о С, а начальная температура 200 о С. За 5 мин олово достигнет температуры плавления, и ещё 5 мин будет плавиться. 2,5 мин занимает нагревание олова от температуры плавления до 250 о С, и столько же займет охлаждение до 232 о С.

Итак, возьмём 20 о С за одну клетку по вертикали и 2,5 мин за одну клетку по горизонтали. Тогда первая точка будет иметь координаты 0 минут и 200 градусов, а вторая — 5 минут и 232 градуса. Соединим эти две точки. В этой точке начинается плавление длительностью 5 минут. Температура не меняется, поэтому координаты третьей точки будет 10 минут и 232 градуса. После этого, олово нагревается до 250 градусов за 2,5 минуты, поэтому координаты четвёртой точки будут 12,5 минут и 250 градусов. Это точка является пиком графика, поскольку в этот момент олово достигло наивысшей температуры. Дальше график симметричен, поэтому абсолютно аналогичным способом достраиваем и вторую часть графика.

Читайте также:  Бдо чистый слиток олова

Для построения этого графика мы использовали некую начальную информацию о теле. Значит, из готового графика можно извлечь информацию.

2. На рисунке представлен график плавления и отвердевания для какого-то вещества.

И нам надо найти ответы на вопросы:

— Какой самой высокой температуры достигло вещество?

Итак, смотрим на график. Вертикальная ось соответствует температуре, следовательно, наивысшая температура соответствует пику графика. Это 1250 о С.

— Какова температура плавления данного вещества?

Температуре плавления соответствуют горизонтальные участки графика, поскольку температура остаётся неизменной во время плавления или кристаллизации. На графике видно, что горизонтальные участки соответствуют температуре 1000 о С, поэтому, это и есть температура плавления.

— Сколько времени заняло плавление, и сколько времени заняла кристаллизация?

На графике мы видим, что по горизонтальной оси, соответствующей времени между отметкой 0 и отметкой 40 — две клетки. Длина горизонтальных отрезков тоже составляет две клетки. Поэтому, и плавление, и кристаллизация заняли по 40 минут.

— Какова скорость нагревания данного вещества в твердом состоянии, и какова скорость нагревания в жидком состоянии?

По вертикальной оси расстояние между отметкой 1000 и отметкой 1250 — одна клетка. Следовательно, расстояние в две клетки соответствует пятистам градусам. Тогда, в начальный момент времени, температура составляла 500 градусов. Мы видим на графике, что температура достигла температуры плавления за 40 минут. Поэтому, скорость нагревания в твердом состоянии равна 500 о С за 40 минут, т.е. 12,5 о С/мин.

На графике видно, что вещество в жидком состоянии нагрелось от 1000 о С до 1250 о С. По горизонтальной оси, длина этого процесса соответствует одной клетке, а, значит, двадцати минутам, т.к. 40 минут — это две клетки. Значит, скорость нагревания в жидком состоянии равна 250 о С за 20 минут, т.е. 12,5 о С/мин.

Следует помнить о том, что нагревание вещества в твердом состоянии на самом деле может происходить не с той же скоростью, что и нагревание вещества в жидком состоянии. Да и зависимость скорости нагревания или остывания от температуры может быть нелинейной. Несмотря на это, даже из такого графика можно извлечь, некоторую информацию.

Данный график предполагает достаточно сложные математические операции для подробного анализа, с которыми мы познакомимся намного позже. Однако, у нас достаточно знаний, чтобы ответить на следующие вопросы:

— Какая максимальная температура была достигнута данным веществом?

Опять же, обращаемся к самой высокой точке. Она соответствует 450 о С.

Держалась ли в какой-нибудь момент времени постоянная температура свыше 315 о С?

Постоянной температуре будет соответствовать горизонтальный участок графика. На данном графике, такой участок только один. Исходя из того, что отметка 450 о С находится на расстоянии 3 клетки от нулевой отметки по оси температуры, одна клетка соответствует 150 о С, а 2 клетки — 300 о С. Мы видим, что наш горизонтальный участок находится ниже отметки о С градусов, следовательно, температура выше 315 о С не держалась.

— Определите, нагревалось тело или остывало в первые 12 минут?

Одна клетка по горизонтальной оси соответствует 20 минутам. Мы видим, что на промежутке, более длительном, чем 12 минут, температура увеличивалась с течением времени. Следовательно, тело нагревалось.

Определите среднюю скорость нагревания в период с 40 до 100 минут.

Итак, отмечаем на графике интервал от 40 до 100 минут. Мы видим, что в этот период температура менялась по какому-то сложному закону. Однако, мы знаем, что бы ни происходило в этот период, температура возросла от 150 о С до 450 о С за 60 минут. Поэтому, в среднем, тело нагревалось со скоростью 300 о С в час или 5 о С в минуту.

При построении графиков помните, что очень важно соблюдать масштабирование, т.е. равные интервалы, относящиеся к одной и той же величине, обозначать равным количеством клеток.

Источник

Adblock
detector