Удельная теплоемкость олова при плавлении

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.

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

Удельная теплота плавления

Содержание:

Под плавлением в физике подразумевают процесс превращения тела из твердого состояния в жидкое, под действием температуры. Классическим повсеместным примером плавления из жизни является таяние льдов, их превращение в воду, или превращение твердого куска олова в жидкий припой под действием паяльника. Передача тому или иному телу определенного количества тепла может изменить его агрегатное состояние, это удивительное свойство твердых тел превращаться в жидкие под действием температуры имеет большое значение для науки и техники. Ученым (а также техникам, инженерам) важно знать при каких температурах плавятся те или иные металлы (а порой и не только металлы), и для этого в физику вошло такое понятие как «удельная теплота плавления». О том, что означает удельная теплота плавления, какая ее формула расчета, читайте далее.

Почему твердое тело становится жидким?

Но давайте для начала разберем, как происходит сам процесс плавления на атомно-молекулярном уровне. Как мы знаем, в любом твердом теле все атомы и молекулы находятся четко и упорядочено в узлах кристаллической решетки, благодаря этому твердое тело и является твердым.

Но что происходит, если мы начинает это самое гипотетическое твердо тело сильно нагревать – под действием температуры атомы и молекулы резко увеличивают свою кинетическую энергию и по достижении определенных критических значений, они начинают покидать кристаллическую решетку, вырываться из нее. А само твердое тело начинает буквально распадаться, превращаясь в некое жидкое вещество – так происходит плавление.

При этом процесс плавления происходит не резким скачком, а постепенно. Также стоит заметить, что плавление относится к эндотермическим процессам, то есть процессам, при которых происходит поглощение теплоты.

Процесс обратный к плавлению называют кристаллизацией – это когда тело из жидкого состояния наоборот превращается в твердое. Если вы оставите воду в морозилке, она через какое-то время превратится в лед – это самый типичный пример кристаллизации из реальной жизни.

Определение

Удельной теплотой плавления называют физическую величину равную количеству тепла (в джоулях), которое необходимо передать твердому телу массой 1 кг, чтобы полностью перевести его в жидкое состояние. Удельную теплоту плавления обозначают греческой буквой «лямбда» – λ.

Формула удельной теплоты плавление выглядит так:

Где m – масса плавящегося вещества, а Q – количество тепла, переданное веществу при плавлении.

Зная значение удельной теплоты плавления, мы можем определить, какое количество тепла необходимо передать для тела с той или иной массой, для его полного расплавления:

Для разных веществ удельная теплота плавления была определена экспериментально.

Единица измерения

Многих интересует вопрос, в каких единицах измеряется удельная теплота плавления. Так вот, удельная теплота плавления измеряется в Джоулях на килограмм – Дж/кг.

Таблица удельной теплоты плавления

Значение удельной теплоты для разных веществ: золота, серебра, цинка, олова и многих других металлов можно найти в специальных таблицах и справочниках. Обычно эти значения приводятся в виде таблицы.

Вашему вниманию таблица удельной теплоты плавления разных веществ

Вещество	10 5 * Дж/кг	ккал/кг	Вещество	10 5 * Дж/кг	ккал/кг
Алюминий	3,8	92	Ртуть	0,1	3,0
Железо	2,7	65	Свинец	0,3	6,0
Лед	3,3	80	Серебро	0,87	21
Медь	1,8	42	Сталь	0,8	20
Нафталин	1,5	36	Цинк	1,2	28
Олово	0,58	14	Платина	1,01	24,1
Парафин	1,5	35	Золото	0,66	15,8

Интересный факт: самым тугоплавким металлом на сегодняшний день является карбид тантала – ТаС. Для его плавления необходима температура 3990 С. Покрытия из ТаС применяют для защиты металлических форм, в которых отливают детали из алюминия

Рекомендованная литература и полезные ссылки

• Енохович А. С. Краткий справочник по физике. — М.: «Высшая школа», 1976. — С. 114. — 288 с.
• Atkins, Peter & Jones, Loretta (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4th ed.), W. H. Freeman and Company, с. 236, ISBN 0-7167-7355-4
• Hoffer J. K., Gardner W. R., Waterfield C. G., Phillips N. E. Thermodynamic properties of 4He. II. The bcc phase and the P-T and VT phase diagrams below 2 K (англ.) // Journal of Low Temperature Physics (англ.)русск. : journal. — 1976. — April (vol. 23, no. 1). — P. 63—102. — DOI:10.1007/BF00117245. — Bibcode: 1976JLTP…23…63H.

Видео

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском языке – Enthalpy of Fusion.

Источник

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