Статистична та термодинамічна фізика
Вимірювання прихованої теплоти плавлення (I)
Вимірювання прихованої теплоти плавлення (II)
На цій сторінці описано два експерименти, які дозволяють визначити приховані теплоти плавлення води:
Лід пливе по воді, щільність льоду менше щільності води. Цей факт дозволяє нам розробити експеримент для вимірювання теплоти плавлення води.
Другий експеримент - це процедура змішування, подібна до тієї, яка використовується для визначення питомої нагрівання твердої речовини.
Зміни держави
Зазвичай речовина зазнає змін температури, коли поглинає або передає тепло навколишньому середовищу. Однак, коли речовина змінює фазу, воно поглинає або віддає тепло без зміни температури. Тепло Питання що необхідно внести так, щоб маса м певної фази зміни речовини дорівнює
де L називається прихованою теплотою речовини і залежить від типу фазової зміни.
Наприклад, для переходу води з твердої речовини (льоду) на рідину при 0єС потрібно 334 · 10 3 Дж/кг. Для переходу від рідини до пари при 100 єС потрібно 226010 3 Дж/кг.
У наступній таблиці наведені дані, що стосуються змін стану деяких речовин.
Джерело: Кошкін Н. І., Ширкевич М. Г. Посібник з елементарної фізики, Edt. Мир (1975) с. 74-75.
Зміни стану можна пояснити якісно наступним чином:
У твердому тілі атоми та молекули займають фіксоване положення вузлів кристалічної решітки. Тверде тіло має фіксований об’єм і певну форму за відсутності зовнішніх сил.
Атоми та молекули вібрують навколо своїх позицій стабільної рівноваги зі збільшенням амплітуди із збільшенням температури. Настає момент, коли вони долають сили притягання, які утримують атоми у фіксованому положенні, і тверда речовина стає рідкою. Атоми і молекули все ще утримуються разом за допомогою привабливих сил, але вони можуть рухатися відносно один одного, що змушує рідини адаптуватися до контейнера, що їх містить, але підтримувати постійний об’єм.
Коли температуру підвищують ще більше, сили притягання, які утримують атоми і молекули разом у рідині, долаються. Молекули далекі одна від одної, вони можуть рухатися по всьому контейнеру, що їх містить, і вони взаємодіють лише тоді, коли вони знаходяться дуже близько один до одного, в той момент, коли вони стикаються. Газ приймає форму ємності, яка його містить, і, як правило, займає весь доступний обсяг.
Класичний приклад використання понять питомого тепла та прихованого тепла такий:
Визначте тепло, яке потрібно подавати для перетворення 1 г льоду при -20 ° С у пару при 100 ° С. Дані такі:
- Питома теплота льоду гл= 2090 Дж/(кг К)
- Спека танення льоду Lf= 334 10 3 Дж/кг
- Питома теплоємність води c= 4180 Дж/(кг К)
- Тепло випаровування води Lv= 2260 10 3 Дж/кг
- Температура 1 г льоду підвищується з -20 ° С (253 К) до 0 ° С (273 К)
- Лід тане
Q2= 0,001 334 10 3 = 334 Дж
- Температура води підвищується від 0єC (273 K) до 100єC (373 K)
- 1 г води при температурі 100 ° С перетворюється на пару при тій же температурі
Q4= 0,001 · 2260 · 10 3 = 2260 Дж
Якщо у нас є джерело тепла, яке постачає енергію з постійною швидкістю що Дж/с ми можемо розрахувати тривалість кожного з етапів
Цифра, не масштабована, показує, як температура зростає при додаванні тепла в систему. Випаровування води вимагає великої кількості тепла, як ми бачимо на графіку та в розрахунках, зроблених у прикладі.
Малюнок нижче зроблено для масштабування за допомогою програми Microsoft Excel, беручи дані з таблиці
| Тепло, Q | Температура, Т |
| 0 | -двадцять |
| 41.8 | 0 |
| 375,8 | 0 |
| 793,8 | 100 |
| 3053,8 | 100 |
Вимірювання прихованої теплоти плавлення
Термос наповнюють льодом і закривають. Через пробку пропускають довгу скляну трубку невеликого перетину. S і два кабелі, які з'єднуються з опором, через який циркулює електричний струм, що нагріває лід, перетворюючи його у воду при 0єС.
Воду додають через трубку, щоб наповнити пляшку і саму трубку.
У лівій частині малюнка показано початкову ситуацію. З правого боку ситуація через певний час т після підключення резистора до акумулятора.
Експеримент полягає у вимірюванні енергії, необхідної для зменшення об’єму системи на певну величину при постійній температурі та постійному тиску.
У початковому стані маємо масу М щільність льоду ρh= 0,917 г/см 3 в об’ємі V0.
Через певний час т, маса Δм лід перетворився на воду щільності ρa= 1,0 г/см 3, об'єм V система зменшується
Зміна обсягу, в абсолютному значенні, становить
Розплавити масу Δм льоду і перетворення його у воду забирає кількість тепла
де Lf - прихована теплота плавлення
Коли об’єм системи зменшується, вода з вертикальної трубки надходить у термос, зменшуючи висоту на ΔV = SΔh
Ми можемо виміряти тепло Питання що забезпечує з часом електричний опір т.
Вимірюємо зміну висоти Δh води у вертикальній скляній трубці і очистіть приховану теплоту плавлення Lf
Вертикальна секція трубки становить S= 0,1782 см 2
Щільність льоду ρh= 0,917 г/см 3
Щільність води ρa= 1,0 г/см 3
Потрібно Питання= 13140 Дж, так що рівень води у вертикальній трубці зменшується Δh= 20 см
Діяльність
Вертикальна секція трубки становить S= 0,1782 см 2
Щільність льоду ρh= 0,917 г/см 3
Щільність води ρa= 1,0 г/см 3
Потужність P = i 2 R W, діючи на смужку прокрутки з назвою Потужність
Натисніть кнопку з назвою Починається
Помічено, що коли лід тане і стає водою в контейнері, рівень води у вертикальній скляній трубці зменшується.
На правій стороні аплету є лічильник енергії, що розсіюється опором, який тане лід.
Вимірювання прихованої теплоти плавлення
Вводиться тісто м льоду до калориметра з водою при температурі Т трохи вище кімнатної температури Та і суміш перемішують до повного розплавлення льоду. Вибирається маса м льоду так, щоб температура Чай рівновага трохи нижче температури навколишнього середовища, тобто так, що T-Ta≈T-Te.
Таким чином, тепло, що передається в навколишнє середовище на першій стадії досвіду, компенсується теплом, отриманим на другій стадії.
У досвіді, описаному нижче, застосовується процедура змішування, але не приймаються до уваги теплові прирости або втрати між калориметром та навколишнім середовищем.
Маса ма води при початковій температурі Та змішується з тістом mh льоду при 0єС в калориметрі. Суміш льоду і води перемішують до досягнення остаточної температури рівноваги. Чай.
Можуть статися два випадки
Частина плавиться м початкової маси mh льоду, залишаючи суміш, утворену льодом (mh-м) і води (ма+м) при кінцевій температурі Чай= 0єС.
- Тепло, яке поглинається льодом, є Q1 = mLf
- Тепло, що виділяється водою, становить Q2 = ma c(0-Та)
Якщо калориметр ідеально ізольований, не втрачає і не набирає тепло, це буде правдою
Q1 + Q2 = 0
(1)
Якщо весь лід тане, кінцевим станом є маса (mh + ma) води з кінцевою температурою Тe> 0.
Тепер ми повинні врахувати, що маса mh лід перетворюється на воду, а потім підвищує температуру від 0єС до Чай. З іншого боку, калориметр (його еквівалентна маса у воді k) підвищує свою температуру з 0єС до Чай.
- Тепло, що поглинається льодом, є Q1 = mh · Lf + mh · c ·(Чай-0)
- Тепло, поглинене калориметром Q2 = k c(Чай-0)
- Тепло, що виділяється водою, становить Q3 = ma c (Te-Ta)
Якщо калориметр ідеально ізольований, не втрачає і не набирає тепло, це буде правдою
Q1 + Q2 + Q3 =0
(два)
На сторінці “питома теплоємність твердої речовини” значення еквівалентної маси вже пояснено k в калориметричній воді.
Діяльність
- Вимірювання водного еквівалента калориметра
Вводимо такі дані:
- Маса М води в грамах в калориметрі,
- Температура Т0 початковий калориметр
- Маса м води в грамах у мірному циліндрі
- Температура Т води
Натисніть кнопку з назвою Підготуйся, термометри та градуйовані ваги для вимірювання об’єму води відображають введені дані.
Якщо ми задоволені, натисніть кнопку з назвою Обчислити. Маса м води наливається в калориметр, і в термометрі ми можемо зчитувати остаточну рівноважну температуру Чай.
Приклад:
- Будьте М= 170 г., Т0= 92,7 єС
- Будьте м= 170 г, і Т= 2,7 єС
- Температура рівноваги становить Чай= 54,2єС
Водний еквівалент калориметра буде
- Вимірювання тепла плавлення
Вводимо такі дані:
- Маса mh льоду в грамах в калориметрі,
- Початкова температура льоду встановлена на рівні 0єС
- Маса ма води в грамах
- Температура Та води
Натисніть кнопку з назвою Підготуйся.
Якщо ми задоволені, натисніть кнопку з назвою Обчислити. Вода наливається в калориметр, і в термометрі ми можемо зчитувати остаточну рівноважну температуру Чай.
У випадку, якщо розтане лише частина льоду, остаточна температура буде Чай= 0єС. Лід можна було вийняти з калориметра і зважити на вазі. Відома маса м льоду теплоту плавлення визначали б за формулою (1). Коли виникає така ситуація, маса води або її температура одночасно збільшуються або одночасно, поки весь лід в калориметрі не розтане.
- Лід: mh= 128 г.,
- Вода, ма= 170 г, і Та= 80єС
- Весь лід тане і кінцева температура рівноваги становить Чай= 9,5 єС
- Ми розрахували еквівалентну масу калориметра у воді у попередньому розділі. k= 57,4 г.
Список літератури
Соулз Дж. А. Покращений другий курс експерименту для вимірювання прихованої теплоти плавлення. Am. J. Phys. 35 (1967) с. 23-26
Гемез, Фіолхайс К., Фіолхайс М. Перегляд експериментів Блека на прихованих спеках води. Вчитель фізики том 40, січень 2002 р., С. 26-31