Удельная теплоемкость олова при кристаллизации

Теплопроводность, теплоемкость и плотность олова Sn

Теплопроводность, теплоемкость и плотность олова зависят от температуры и структуры этого металла. При атмосферном давлении олово имеет две кристаллические модификации: β-олово, стабильное выше температуры 19°С и низкотемпературное α-олово. Обе модификации способны длительное время существовать в метастабильном переохлажденном и, соответственно, перегретом состояниях.

Плотность олова при температуре 20°С имеет значение 7310 кг/м 3 . Плотность олова (или его удельный вес) намного меньше плотности свинца и немногим меньше плотности стали, однако олово намного тяжелее алюминия. При нагревании олова его плотность, как и у других металлов, снижается. Олово относится к легкоплавким металлам, и его несложно расплавить даже на обычной кухне. Плотность жидкого олова при температуре 250°С принимает значение 6980 кг/м 3 .

Удельная теплоемкость олова равна 230 Дж/(кг·град) при температуре 20°С. Температурная зависимость теплоемкости олова является типичной для простых металлов. Удельная теплоемкость олова слабо зависит от температуры и при его нагревании увеличивается. Значение теплоемкости жидкого олова имеет постоянную величину 255 Дж/(кг·град) при температурах выше 523 К. При этом объемная теплоемкость этого металла снижается из-за уменьшения его плотности. Например, при температуре 773 К удельная (объемная) теплоемкость олова в жидком состоянии равна 1,73 МДж/(м 3 ·град).

Теплопроводность олова имеет среднее значение среди распространенных металлов. Она сравнима с теплопроводностью железа или углеродистой стали, при этом больше теплопроводности чугуна. У β-олова теплопроводность носит электронный характер, и при температуре 20°С коэффициент теплопроводности олова равен 65 Вт/(м·град), что в 6 раз меньше теплопроводности меди при этой же температуре. Повышение температуры олова приводит к снижению его теплопроводности. Например, при температуре 523К (250°С) теплопроводность жидкого олова становится равной 34,1 Вт/(м·град).

В таблице представлены также данные о температурной зависимости коэффициента температуропроводности, кинематической вязкости и числа Прандтля жидкого олова в интервале температуры 523-773 К.


Следует также отметить, что при атмосферном давлении олово плавится при температуре 505 К (или 232°С) и его теплота плавления составляет 52 кДж/кг. Температура кипения олова равна 2267°С, а теплота испарения олова имеет значение 3014 кДж/кг. Термоэдс олова в твердом состоянии отрицательна по абсолютной величине и растет с повышением температуры.

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.

Читайте также:  От меня пахнет оловом

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;

Читайте также:  Удельное сопротивление олова висмута

Удельная теплоемкость олова Со = 220 ;

Удельная теплоемкость ампулы Со = 492 ;

Температура окружающей среды Тср = 22°С.

Источник

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.

Читайте также:  Все реакции с хлоридом олова

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.

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