Изучение фазовых переходов

Оборудование: нагреватель, пробирка с парафином, кипятильник, сухопарник, калориметр, весы, разновесы, термометр.

 

В твердом состоянии частицы неразрывно связаны, каждая с соседними, поэтому они могут колебаться с очень незначительной частотой около некоторого положения равновесия, но все же никогда не выходят из пределов сферы действия других частиц. В газообразном состоянии силы взаимодействия между частицами практически равны 0 и наблюдается полная неупорядоченность их движения.

Для того, чтобы перевести твердое тело в жидкое состояние необходимо совершить работу против сил молекулярного взаимодействия. Расстояние между молекулами в жидкости больше, чем в твердом теле. Молекулы жидкости совершают колебательные и поступательные движения. Опыт показывает, что при нагревании твердых тел они плавятся, а затем испаряются. Охлаждение всегда приводит к обратному процессу. Возможны случаи, когда при повышении температуры кристалла он не плавится, а сразу испаряется. Такой процесс называется сублимацией. Оказывается, существенную роль здесь играет не только температура, но и величина давления над поверхностью.

Переходы вещества из одной фазы в другую, сопровождающиеся изменением характера упаковки частиц (дальний и ближний порядок или полная неупорядоченность) называются фазовыми переходами первого порядка. Фазовые переходы первого порядка сопровождаются поглощением или выделением веществом энергии, которую называют скрытой энергией процесса.

Теплота фазового перехода при плавлении:

Q = l×m (теплота плавления),

где m - масса расплавленного вещества,

l - удельная теплота плавления (количество теплоты, которое нужно сообщить единице массы твердого тела при температуре плавления, чтобы перевести его в жидкое состояние. При кристаллизации происходит выделение теплоты).

Теплота фазового перехода при парообразовании:

Q = r× m,

где m - масса жидкости, переходящей в пар,

r - удельная теплота парообразования (количество теплоты необходимое для перехода в пар единицы массы жидкости (при постоянных давлении и температуре)). При конденсации происходит выделение такого же количества тепла.

Целью этой работы является изучение процессов перехода вещества из одной фазы в другую и определение скрытых теплот перехода. Если кристаллическое твердое тело нагреть до температуры плавления и продолжить нагревание, то температура не меняется, т.к. все тепло, подводимое телу, идет на разрушение кристаллической решетки. Когда все атомные связи в решетке будут разрушены, тело перейдет в жидкое состояние и при дальнейшем нагревании тепло пойдет на повышение температуры жидкости. Если снять жидкость с нагревателя и постепенно охладить ее, то при достижении точки плавления (отвердевания) температура перестанет понижаться и останется постоянной, пока все тело не перейдет в твердое состояние. Идет процесс образования кристаллической решетки, сопровождающийся выделением того же количества тепла, которое затрачено на плавление. Особый интерес представляет плавление и отвердевание металлических сплавов (см л/р 3-б)

Превращение в жидкое состояние аморфных тел при нагревании происходит постепенно, с повышением температуры их вязкость уменьшается. Определенной температуры плавления у них нет.

Задание 1. Плавление и отвердевание парафина

1. Для исследования процесса плавления парафина, пробирку с парафином и термометром помещают в электрическую печь и нагревают до 80⁰С, измеряя температуру через каждые 30 с.

2. Пробирку осторожно вынуть из печи и поместить в подставку, охладить до комнатной температуры, измеряя температуру через 30 с.

3. Данные заносят в таблицу и по ним строятся графики плавления и отвердевания парафина.

t0 С	t, (с)

Задание 2. Определение удельной теплоты парообразования калориметрическим способом

При интенсивном кипении жидкости в колбе ее пары через соединительную трубку и сухопарник попадает в калориметр, где они конденсируются, причем, выделение теплоты парообразования вызывает нагревание жидкости в калориметре, а так же самого калориметра.

Если начальная температура воды в калориметре t₀, а конечная t₁, то количество теплоты, получаемое водой и калориметром, определяется по формуле:

Q₁ = (m_В×С_В + m_К ×С_К)(t₁ - t₀),

где m_В, m_К - масса воды и калориметра,

С_В, С_К - их удельные теплоемкости,

С_В = 4200 Дж/(кг×К)

С_К = 880 Дж/(кг×К)

Количество теплоты, выделяющееся при конденсации пара в жидкость и при остывании этой жидкости до температуры t₁ равно:

Q₂ = m_П×r + m_П ×С_В (t_К - t₁),

где r - удельная теплота парообразования воды, r = 2,3×10⁶ Дж/кг

m_П - масса сконденсировавшегося пара,

t_К - температура кипения воды.

По уравнению теплового баланса Q₁ = Q₂, отсюда

ИЗМЕРЕНИЯ:

Определить с точностью до 0,1 г массу калориметра и воды в нем. Измерить начальную температуру воды в калориметре. Колбу с водой поставить на плитку и дождаться интенсивного кипения воды в колбе (плитка, на которой расположен сухопарник, тоже должна быть включена). После этого, опустите резиновую трубку в калориметр с водой и, непрерывно помешивая воду в нем, следите за повышением температуры. Как только температура повысится на 13-15⁰ С, прекратите доступ пара в калориметр, воду перемешать, измерить установившуюся температуру, определить массу сконденсировавшегося пара путем взвешивания калориметра с водой. По формуле вычислить теплоту парообразования.

 

1. В сосуд, в котором находилось 2 кг воды и 0,5 кг льда при 0⁰ С, впущен водяной пар, имеющий температуру 150⁰ С (при нормальном давлении). После того как лед растаял температура в сосуде установилась 30⁰ С. Какое количество пара впущено в воду, если известно, что теплоемкость сосуда 627,6 Дж/К?

2. На электроплитке мощностью 500 Вт, имеющей КПД 40 %, нагрелось 0,8 л воды, взятой при 15⁰ С, до кипения и 10 % ее превратилось в пар. Как долго длилось нагревание?

 

Вопросы

Что называется фазовым переходом первого рода? Виды фазовых переходов первого рода. Объяснить механизм фазовых переходов с точки зрения МКТ строения вещества.

Что такое теплота фазового перехода?

Что называется удельной теплотой плавления? На что расходуется эта теплота? Единицы измерения. Что происходит с ней при отвердевании вещества?

Что называется удельной молярной теплотой парообразования? На что расходуется эта теплота? Единицы измерения. Что происходит с ней при конденсации вещества?

В чем заключается процесс сублимации (возгонки)? Что такое удельная теплота сублимации?

Чем отличаются графики плавления и отвердевания кристаллических и аморфных тел? Почему?

Зависимость температуры фазового перехода от давления. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса.

Диаграмма состояний. Тройная точка.

Составление уравнения теплового баланса для определения удельной теплоты плавления (парообразования) калориметрическим способом.