Удельная температура кристаллизации олова

Удельная температура кристаллизации олова

Какое количество теплоты выделится при кристаллизации 2 кг расплавленного олова, взятого при температуре кристаллизации, и последующем его охлаждении до 32 °С? (Удельная теплоёмкость олова — 230 Дж/(кг · °С).)

При кристаллизации олова выделяется теплоты, где — удельная теплота кристаллизации олова. При охлаждении выделится теплота где — удельная теплоёмкость олова, — температура плавления олова, Всего при кристаллизации и охлаждении выделится теплота:

Критерии оценивания выполнения задания Баллы
Приведено полное правильное решение, включающее следующие элементы:

1) верно записано краткое условие задачи;

2) записаны уравнения и формулы, применение которых необходимо и достаточно для решения задачи выбранным способом;

3) выполнены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу, и представлен ответ. При этом допускается решение «по частям» (с промежуточными вычислениями).

3
Правильно записаны необходимые формулы, проведены вычисления, и получен ответ (верный или неверный), но допущена ошибка в записи краткого условия или переводе единиц в СИ.

Представлено правильное решение только в общем виде, без каких-либо числовых расчётов.

Источник

Описание установки. Вывод расчетных формул

Кафедра общетехнических дисциплин

Лабораторная работа №12

Определение удельной теплоты кристаллизации

и изменении энтропии при охлаждении олова

Выполнил:.

Группа

Проверила: Васильева Ю.В.

Волжский 2001

Лабораторная работа №12

Определение удельной теплоты кристаллизации

И изменении энтропии при охлаждении олова

Определение изменения энтропии при фазовом переходе первого рода на примере кристаллизации олова из расплава при его охлаждении. Определение теплоты кристаллизации олова из закона сохранения энергии.

Теоретические основы работы

Кристаллизация – процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое. Процесс кристаллизации связан с выделением количества теплоты, равного теплоте плавления. Для химически чистых веществ процесс кристаллизации протекает при постоянной температуре, равной температуре плавления.

В процессе кристаллизации упорядочивается движение частиц жидкости, постепенно прекращается перемещение молекул, возникают связанные тепловые колебания относительно узлов кристаллической решетки.

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы в жидкости имелись центры кристаллизации – неоднородности, вокруг которых начинается процесс образования твердой фазы. Если в жидкости отсутствуют центры кристаллизации, то она может быть охлаждена до температуры более низкой, чем температура кристаллизации. В обычных условиях это, как правило, не происходит.

Количество теплоты, которое необходимо отвести от единицы массы жидкости при температуре кристаллизации для перехода жидкости в твердое состояние, называется удельной теплотой кристаллизации lкр. Из первого начала термодинамики dQ = dU +dA следует

Здесь Uтв, Uж – внутренняя энергия единицы массы в твердом и жидком

Vтв, Vж – удельный объем твердой и жидкой фазы соответственно;

р – давление в процессе кристаллизации.

Поскольку при переходе из жидкого в твердое состояние объем олова практически не меняется, имеем р(Vтв – Vж)

В электрическую печь 4 помещается ампула с оловом 8. Внутри ампулы находится металлическая трубка – чехол с дифференциальной хромель-копелевой термопарой, горячий спай которой находится в ампуле, а холодный спай – на воздухе. Концы термопары через гнезда и медные провода соединены и милливольтметром 9, измеряющим возникающую термо ЭДС.

Простейшей моделью охлаждения тела является охлаждение в среде с постоянной температурой Т (в термостате). Если процесс охлаждения происходит достаточно медленно, температуру произвольной точки тела в каждый момент времени можно считать одинаковой. Такой процесс охлаждения состоит из непрерывно следующих друг за другом равновесных состояний и, следовательно, является квазистатическим обратимым процессом.

Применим закон сохранения энергии к квазистатическому процессу охлаждения твердого олова после кристаллизации:

Здесь (co mo + ca ma)dT 0 – количество теплоты, полученное окру-

жающей средой через поверхность ампулы

площадью F за время dt.

co, ca – удельные теплоемкости олова и материала

mo, ma – массы олова и ампулы;

Т – температура твердого олова;

Тср – температура окружающей среды;

a – коэффициент теплоотдачи с ампулы в окружающую среду. В дальнейшем считаем, что значение a в течение всего опыта постоянно.

Применяя закон сохранения энергии к процессу кристаллизации олова можно получить уравнение

Здесь: Q = lкр mo – количество теплоты, отданное оловом при

его кристаллизации за время кристаллизации

Dt. Так как тепло отдано окружающей среде,

то Q 0 – количество теплоты, полученное окружаю-

щей средой, полученной через поверхность

ампулы за время кристаллизации.

Из соотношений (6), (7) следует:

(8)

(9)

Для определения S2 – S1 необходимо измерить температуру кристаллизации Ткр., время кристаллизации Dt, а также вычислить производную функции Т = f(t) во время охлаждения твердого олова после полной кристаллизации. Эти величины можно найти, измеряя температуру олова в процессе охлаждения от полного расплава до температуры остывшего олова То в конце опыта.

Реальный процесс охлаждения сопровождается явлениями, вносящими погрешность в определение lкр. Главными источниками погрешности являются

— отклонение процесса охлаждения от квазистатического;

— изменение температуры окружающей среды.

Эти процессы приводят к методической погрешности определения lкр, не превышающей ± 10%.

4. Данные установки и таблицы результатов измерений

Масса олова mo = 50 г;

Масса ампулы ma = 59,5 г;

Удельная теплоемкость олова Со = 220 ;

Удельная теплоемкость ампулы Со = 492 ;

Температура окружающей среды Тср = 22°С.

Источник

Описание установки. Вывод расчетных формул

Кафедра общетехнических дисциплин

Лабораторная работа №12

Определение удельной теплоты кристаллизации

и изменении энтропии при охлаждении олова

Выполнил:.

Группа

Проверила: Васильева Ю.В.

Волжский 2001

Лабораторная работа №12

Определение удельной теплоты кристаллизации

И изменении энтропии при охлаждении олова

Определение изменения энтропии при фазовом переходе первого рода на примере кристаллизации олова из расплава при его охлаждении. Определение теплоты кристаллизации олова из закона сохранения энергии.

Теоретические основы работы

Кристаллизация – процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое. Процесс кристаллизации связан с выделением количества теплоты, равного теплоте плавления. Для химически чистых веществ процесс кристаллизации протекает при постоянной температуре, равной температуре плавления.

В процессе кристаллизации упорядочивается движение частиц жидкости, постепенно прекращается перемещение молекул, возникают связанные тепловые колебания относительно узлов кристаллической решетки.

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы в жидкости имелись центры кристаллизации – неоднородности, вокруг которых начинается процесс образования твердой фазы. Если в жидкости отсутствуют центры кристаллизации, то она может быть охлаждена до температуры более низкой, чем температура кристаллизации. В обычных условиях это, как правило, не происходит.

Количество теплоты, которое необходимо отвести от единицы массы жидкости при температуре кристаллизации для перехода жидкости в твердое состояние, называется удельной теплотой кристаллизации lкр. Из первого начала термодинамики dQ = dU +dA следует

Здесь Uтв, Uж – внутренняя энергия единицы массы в твердом и жидком

Vтв, Vж – удельный объем твердой и жидкой фазы соответственно;

р – давление в процессе кристаллизации.

Поскольку при переходе из жидкого в твердое состояние объем олова практически не меняется, имеем р(Vтв – Vж)

В электрическую печь 4 помещается ампула с оловом 8. Внутри ампулы находится металлическая трубка – чехол с дифференциальной хромель-копелевой термопарой, горячий спай которой находится в ампуле, а холодный спай – на воздухе. Концы термопары через гнезда и медные провода соединены и милливольтметром 9, измеряющим возникающую термо ЭДС.

Простейшей моделью охлаждения тела является охлаждение в среде с постоянной температурой Т (в термостате). Если процесс охлаждения происходит достаточно медленно, температуру произвольной точки тела в каждый момент времени можно считать одинаковой. Такой процесс охлаждения состоит из непрерывно следующих друг за другом равновесных состояний и, следовательно, является квазистатическим обратимым процессом.

Применим закон сохранения энергии к квазистатическому процессу охлаждения твердого олова после кристаллизации:

Здесь (co mo + ca ma)dT 0 – количество теплоты, полученное окру-

жающей средой через поверхность ампулы

площадью F за время dt.

co, ca – удельные теплоемкости олова и материала

mo, ma – массы олова и ампулы;

Т – температура твердого олова;

Тср – температура окружающей среды;

a – коэффициент теплоотдачи с ампулы в окружающую среду. В дальнейшем считаем, что значение a в течение всего опыта постоянно.

Применяя закон сохранения энергии к процессу кристаллизации олова можно получить уравнение

Здесь: Q = lкр mo – количество теплоты, отданное оловом при

его кристаллизации за время кристаллизации

Dt. Так как тепло отдано окружающей среде,

то Q 0 – количество теплоты, полученное окружаю-

щей средой, полученной через поверхность

ампулы за время кристаллизации.

Из соотношений (6), (7) следует:

(8)

(9)

Для определения S2 – S1 необходимо измерить температуру кристаллизации Ткр., время кристаллизации Dt, а также вычислить производную функции Т = f(t) во время охлаждения твердого олова после полной кристаллизации. Эти величины можно найти, измеряя температуру олова в процессе охлаждения от полного расплава до температуры остывшего олова То в конце опыта.

Реальный процесс охлаждения сопровождается явлениями, вносящими погрешность в определение lкр. Главными источниками погрешности являются

— отклонение процесса охлаждения от квазистатического;

— изменение температуры окружающей среды.

Эти процессы приводят к методической погрешности определения lкр, не превышающей ± 10%.

4. Данные установки и таблицы результатов измерений

Масса олова mo = 50 г;

Масса ампулы ma = 59,5 г;

Удельная теплоемкость олова Со = 220 ;

Удельная теплоемкость ампулы Со = 492 ;

Температура окружающей среды Тср = 22°С.

Источник

Определение удельной теплоты кристализации и изменения энтропии при охлаждении олова (Лабораторная работа № 3мс)

Страницы работы

Содержание работы

Лабораторная работа № 3мс.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ КРИСТАЛИЗАЦИИ И ИЗМЕНЕНИЯ ЭНТРОПИИ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ОЛОВА.

Теория исследуемого явления

Всякое тело, имеющее температуру выше окружающей среды, будет охлаждаться, причём скорость охлаждения зависит от теплоемкости тела. Простейшим видом охлаждения является охлаждение в среде с постоянной температурой Тс когда внутри тела в течение всего процесса охлаждения температура в любой точке тела в любой момент времени одинакова. Такой процесс состоит из непрерывной последовательности равновесных состояний и является обратимым.

Количество тепла, отдаваемого за время dt твердым оловом вместе с ампулой после его кристаллизации, будет

(1)

где Т – температура твёрдого олова (.принимается одинаковой во всех точках образца, так как линейные размеры тела малы, а теплопроводность металла велика); С и СА – удельная теплоёмкость олова и материала ампулы; m и mA – масса олова и ампулы.

Величину dq1 можно подсчитать по закону Ньютона

(2)

где dq1 – тепло, полученное окружающей средой через поверхность ампулы F за время dt; a — коэффициент теплоотдачи с поверхности ампулы в окружающую среду (a=const); Тc – температура окружающей среды.

Тепло, отданное оловом при его кристаллизации за время кристаллизации dtк, будет:

(3)

где lк – теплота кристаллизации (плавления).

Применяя закон сохранения энергии к процессу кристаллизации олова, запишем по закону Ньютона:

(4)

гдеdq2 теплота, полученная окружающей средой через поверхность ампулы за время кристаллизации dtк; Тк температура плавления (кристаллизации) олова.

Для определения теплоты кристаллизации lк решаем уравнения (1), (2), (3) и (4) совместно.

(5)

При передачетеплоты Dq от одного тела системы к другому при обратимом процессе температуры обоих тел равны друг другу. Количество теплоты, сообщенной рабочему телу (олову) при бесконечно малом обратимом изменении его состояния

(6)

Изменение энтропии DS в этом процессе определяется по формуле:

(7)

Постановка задачи

Для определения теплоты кристаллизации lк и изменения энтропии DSк при фазовом переходе на примере кристаллизации олова из расплава при его охлаждении необходимо:

1. Измерить температуру кристаллизации (плавления)олова Т, времени кристаллизации Dtк (тремя плавления).

2. Построить график зависимости температуры остывающего олова от времени его охлаждения q = f(t).

3. Вычислить производную функции q = f(t) в произвольной точке, соответствующей температуре твёрдого олова в процессе его охлаждения. Производная находится из графика, построенного по экспериментальным данным (кривая охлаждения).

Теория измерений и принципиальная

Ампула с оловом 1 (рис. 1) нагревается в электрической печи 2, питающейся переменным током. Внутри ампулы находится металлическая трубка – чехол с дифференциальной медь-константановой термопарой 3, горячий спай которой помещен в ампуле, а холодный – на воздухе. Концы термопары через гнезда и медные провода соединены с милливольтметром 4, измеряющим термо-ЭДС. Электрическая печь находится в модуле стенда. Подключение печи к сетевым разъёмам стенда производится вилкой подводящих проводов 5.

Порядок выполнения работы

1. Выписать данные установки и измерительных приборов.

2. Включить стенд, милливольтметр, электропечь.

3. Проследить за тем, чтобы олово, находящееся в ампуле, расплавилось. Процесс плавления происходит при постоянной температуре Tк. При этом показания милливольтметра практически не изменяются. Окончание процесса плавления можно определить как момент времени, после которого показания, милливольтметра начинает возрастать.

4. Через 1-2 минуты после окончания процесса плавления отключить электропечь, отвернуть винт ползунка 6, поднять ампулу с оловом 1 из печи 2. Зафиксировать положение ампулы тем же винтом 6.

5. Включить секундомер и через каждые 15-20 снимать пока­зания милливольтметра, фиксирующего разность температур олова и окружающей среды q = (T-Tc).

Измерения продолжать до тех пор, пока не будут пройдены 3 области процесса охлаждения: область полного расплава, область крис­таллизации и область охлаждения твёрдого олова.

6. Получив 30-40 экспериментальных точек, выключить милливольтметр и стенд.

7. Данные установки и результаты измерений занести в следую­щие таблицы:

Источник

Читайте также:  Чем паять оловом или канифоль