Изучение фазовых переходов

Оборудование: потенциометр, тигли с исследуемыми телами, плитка, калориметр, термометр, весы, разновесы, лед, мензурки.

 

Тела могут находиться в твердом, жидком, газообразном состоянии. В твердом состоянии частицы неразрывно связаны каждая с соседними, поэтому 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 отсутствуют, и наблюдается полная неупорядоченность их движения. Для того, чтобы тело перевести в жидкую фазу, необходимо совершить работу против сил молекулярного взаимодействия. В жидкости молекулы участвуют одновременно в поступательном и колебательном движении. Опыт показывает, что при сообщении твердым телам количества теплоты они нагреваются, плавятся, а затем испаряются, охлаждение вещества приводит к обратному процессу. Возможны случаи, когда при повышении температуры кристалла он не плавится, а сразу испаряется. Этот процесс называется сублимацией. Оказывается, что существенную роль здесь играет не только температура, но и величина давления над поверхностью.

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

Задачей данной работы является изучение процессов перехода вещества из одной фазы в другую и определение скрытых теплот перехода.

 

Задание 1. Снятие кривых плавления и отвердевания.

Если тело нагреть до температуры плавления и продолжить нагревание, то температура не меняется, т.к. все подводимое ему тепло идет на разрушение кристаллической решетки. Когда все атомные связи будут нарушены, тело перейдет в жидкое состояние, 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 остается постоянной, пока все тело не перейдет в твердую фазу. Идет процесс образования кристаллической решетки, сопровождающийся выделением тепла, того количества, которое затрачено на плавление. Особый интерес представляет плавление и отвердевание металлических сплавов, связи которых оказываются менее прочными, чем у остальных металлов и для плавления сплавов нужна более низкая температура, чем для плавления чистого металла, входящего основной частью в данный сплав. Процесс отвердевания идет также при более низкой температуре.

 

Для исследования процесса плавления берем металл (свинец) и сплав (олово-свинец). Нагревание металла в тиглях производится на электроплитке, температура измеряется с помощью термопары, соединенной с пирометром, шкала которого проградуирована в градусах шкалы Цельсия.

ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ КРИВЫХ ПЛАВЛЕНИЯ И ОТВЕРДЕВАНИЯ: начав нагревание, измеряют температуру через равные промежутки времени (30 сек) по секундомеру. Когда процесс плавления или отвердевания начнется, отсчет времени продолжают при постоянной температуре.

Немного выше точки плавления тело снимают с нагревателя и продолжают отсчет времени и температуры. Результаты заносят в таблицу и строят графики.

Задание 2. Определение удельной теплоты плавления льда

Если опустить в калориметр с водой некоторую массу льда m, то лед плавится за счет теплоты, отдаваемой водой и калориметром, полученная при плавлении льда вода, нагревается до температуры q, а сам калориметр и вода в нем остывают до температуры q (температура теплового равновесия). Количество теплоты, отданное водой Q_B и калориметром Q_K равно количеству теплоты, ушедшей на плавление льда m_Л××l и нагревание полученной воды изо льда Q_T.B.

Q_K + Q_B = m_Л×l + Q_T.B.

(m_BC_B + m_KC_K)×(t_B - q) = m_Л×l + m_Л C_B (q - 0⁰)

l - удельная теплота плавления льда.

Из уравнения теплового баланса вывести формулу для определения l. Массу воды в калориметре находят, взвешивая пустой калориметр с водой. Массу растаявшего льда - взвешивая калориметр до опыта и после опыта. Массу воды можно определить и с помощью мензурки.

 

ВОПРОСЫ:

1. Как называется температура плавления, при которой кристаллическое тело переходит в жидкое состояние.

2. Почему в процессе плавления не меняется температура вещества?

3. Что называется эвтектикой и эвтектической точкой?

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

5. Что такое теплота фазового перехода?

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

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

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

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

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

11. Диаграмма состояний. Тройная точка.

 

1. Для определения удельной теплоемкости вещества 0,15 кг данного вещества, взятого при 100⁰ С, опустили в латунный калориметр массой 0,12 кг, содержащий 0,2 кг воды при 16⁰ С, причем общая температура установилась 22⁰ С. Определить удельную теплоемкость вещества по данным опыта.

 

2. В латунный калориметр массой 200 г, содержащий 0,5 кг воды при 20⁰ С опускается кусок льда массой 50 г, взятый при - 10⁰ С. Определить температуру воды в калориметре после того, как лед растает.