Лабораторные работы по электротехнике

Электротехника
Примеры расчета цепей
Лабораторные работы
Переходные процессы в линейных цепях
Вынужденные колебания
Оптика
Определение удельной теплоемкости воздуха
Гироскоп
Теплопроводность тел
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Определение удельной теплоты плавления и изменения энтропии при кристаллизации олова

Цель работы: экспериментальное определение удельной теплоты плавления и вычисление изменения энтропии в процессе кристаллизации олова.

Описание установки и вывод расчётных формул

В электрическую печь 1 помещена ампула с оловом 2 (рис. 1). Внутри ампулы находится металлическая трубка-чехол с дифференциальной хромель-копелевой термопарой, горячий спай которой 3 расположен в ампуле, а холодный спай 4 — на воздухе. Концы термопары через гнезда и медные провода соединены с милливольтметром 5, измеряющим возникающую термоэдс. Электрическая печь находится в модуле экспериментального стенда.

Рис. 1

Простейшей моделью квазистатического охлаждения тела является охлаждение в среде с постоянной температурой Тср. Если процесс охлаждения происходит достаточно медленно, температуру всех точек 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 в ампуле после кристаллизации:

 (Como + CAmA)dT + aF(T — Tcp)dt = 0, (1)

где:  (Como + CAmA)dT — тепло, отданное ампулой с оловом при их охлаждении за время dt;

 aF(T — Tcp)dt — тепло, полученное окружающей средой через поверхность ампулы F за время dt;

Со, СА — удельная теплоёмкость олова и материала ампулы ;

 mo, mA — масса олова и ампулы, [кг];

 Т — температура твёрдого олова, [°C];

 Тcp — температура окружающей среды, [°C];

 a — коэффициент теплоотдачи с поверхности ампулы в окружающую среду,  (эта величина считается постоянной).

Применяя закон сохранения энергии к процессу кристаллизации олова, можно получить уравнение

  lкmo + aF(Tк — Тср)Dtк = 0, (2)

где:  lкmo — тепло, отданное оловом при его кристаллизации за время этого процесса Dtк;

  aF(Tк — Тср)Dtк — тепло, полученное окружающей средой через поверхность ампулы за время кристаллизации;

  Тср — температура кристаллизации олова.

Из формул (1) и (2) следует:

  . (3)

Вычислим изменение энтропии олова в процессе его кристаллизации при неизменной температуре Т = Тк = Const.:

 . (4)

Следовательно, для определения удельной теплоты кристаллизации lк олова и изменения его энтропии DS в этом процессе необходимо измерить Тк, Dtк и вычислить производную  функции T = f(t) в произвольной точке, соответствующей температуре T твердого олова в процессе его охлаждения. Производная  находится из графика (рис. 2), построенного по результатам эксперимента (кривая охлаждения).

Рис. 2

Порядок выполнения работы

Отвернуть винт 7 ползуна 8 и аккуратно опустить ампулу 2 в печь 1 (рис.1).

Включить электропитание стенда.

Включить милливольтметр 5 и нагреватель печи (тумблером 10).

Проследить в течение 10 – 15 минут за тем, чтобы олово, находящееся в ампуле, расплавилось. Процесс плавления олова происходит при постоянной температуре — температуре плавления. При этом показания милливольтметра практически не изменяются. Окончание процесса плавления можно определить как момент времени, после которого показания милливольтметра начинают возрастать.

Через 2 – 3 минуты после завершения процесса плавления олова, отключить электрический нагреватель печи (тумблером 10). Отвернуть винт 7 ползуна 8 и поднять ампулу с оловом 2 из печи 1. Зафиксировать положение ампулы тем же винтом.

Включить секундомер и через каждые 15 – 20 секунд снимать показания милливольтметра, фиксирующего термоэдс, пропорциональную разности температур олова и окружающей среды Q = T — Tcp. Измерения продолжать до тех пор, пока не будут пройдены три области процесса охлаждения (рис. 2):

область I — область полного расплава олова;

область II — область кристаллизации;

область III — область охлаждения твердого олова.

Получив 30 – 40 экспериментальных точек, выключить питание стенда и милливольтметр.

Данные установки и таблица результатов измерений

Масса олова mo = (50 ± 1) грамм

Масса стальной ампулы mA = (52 ± 1) грамм

Удельная теплоемкость олова Co = 0.23 × 103

Удельная теплоемкость стали CA = 0.46 × 103

№ п/п

t, с

Dei , мВ

ei = e0 + Dei, мВ

Т, °С

1

2

Обработка результатов измерений

Определить по лабораторному термометру температуру окружающей среды. По градуировочному графику хромель-копелевой термопары определить соответствующее этой температуре значение термоэдс e0.

Прибавляя к каждому измеренному значению термоэдс Dei значение e0, определить по градуировочному графику температуру олова Ti в процессе охлаждения в соответствующие моменты времени.

По данным измерения построить график зависимости температуры олова Т от времени t. Определить температуру и время кристаллизации олова — Тк и Dtк.

В области охлаждения твердого олова III выбрать произвольную точку (T, τ) на графике T = f(t) и провести в этой точке касательную к графику.

В выбранной точке определить . Подставив значение  и соответствующую температуру Т в формулу (3), вычислить удельную теплоту кристаллизации олова lк.

Воспользовавшись формулой (4), рассчитать изменение энтропии при кристаллизации олова.

Оценить погрешность измерения удельной теплоты кристаллизации олова. Результат измерения представить в стандартном виде.

, [Дж/кг].

Рекомендуемая литература

Савельев И.В. Курс общей физики. — М.: Наука, 1982. Том 1, глава 15.

Сивухин Д.В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1979. Том 2, глава 10.

Архитектура Зимнего дворца Санкт-Петербурга