Методичка: Лабораторный практикум по молекулярной физике

Контрольные вопросы

1.      Ход выполнения работы.

2.      Уравнение теплового баланса для системы «калориметр-вода-твердое тело».

.        Теплоемкость и удельная теплоемкость.

.        Классическая теория теплоемкости (Закон Дюлонга и Пти).

.        Понятие о квантовой теории теплоемкости (теории Эйнштейна и Дебая).

Литература

1.      Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976. 480 с.

2.      Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.II. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, 1990. 592 с.

.        Физический практикум. Механика и молекулярная физика. / Под ред. проф. В.И.Ивероновой. М.: Наука, 1967. 352 c.

Лабораторная работа № 16

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЕ ЭНТРОПИИ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ

Принадлежности: специальная установка, электроплитка, калориметр с мешалкой, набор исследуемых тел, технические весы с разновесами, термометр, барометр.

Цель работы: ознакомление со вторым законом термодинамики, понятием энтропии и определение изменения энтропии изолированной системы.

Введение. Энтропия имеет фундаментальное значение в физике. Изучение энтропии имеет особое значение для конструкции тепловых машин и определения их КПД, для изучения процессов теплообмена в больших масштабах, для изучения обратимых, необратимых и адиабатических процессов, для вычисления термодинамических потенциалов химических реакций и тепловых эффектов фазовых переходов и др.

Краткая теория. Функция состояния, дифференциалом которой является отношение количества теплоты δQ к той абсолютной температуре Т, при которой это тепло было получено (или отдано), называется энтропией (от греч. «entropia» - поворот, возвращение) и обозначается S:

.                                                   (1)

Для двух состояний термодинамической системы изменение энтропии определяется по формуле:

                                            (2)

В качестве примера по формуле (2) можно подсчитать изменение энтропии при плавлении 1 кмоля (18 кг) льда. Известно, что удельная теплота плавления льда равна 3,35×105 Дж/кг, а плавление льда происходит при постоянной температуре 273 К. Тогда  будет равен количеству теплоты, необходимой для плавления одного кмоля льда:

.

Согласно Больцману, энтропия S однозначно связана с термодинамической вероятностью состояния W (число способов, которыми может быть реализовано данное состояние макроскопической системы, или число микросостояний, осуществляющих данное макросостояние), а именно энтропия пропорциональна логарифму термодинамической вероятности W состояния системы:

.                                               (3)

Возрастание энтропии означает возрастание вероятности состояния системы. Таким образом, энтропия может рассматриваться как мера вероятности состояния термодинамической системы. Формула Больцмана (3) позволяет дать энтропии следующее статистическое толкование: энтропия является мерой неупорядоченности системы.

Согласно второму закону термодинамики, в процессах, происходящих в замкнутой (изолированной) системе, энтропия не убывает: DS≥0 (Неравенство Клаузиуса): если процесс обратим, то DS=0, если необратим, то DS>0.

Энтропия обладает свойством аддитивности: энтропия системы равна сумме энтропий тел, входящих в систему:

                                              (4)

Описание экспериментальной установки и теория метода. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.

Бачок 1 с водой установлен на электроплитке 2. Исследуемое тело 3 помещается в объем 4. Теплообмен происходит при опускании исследуемое тело 3, нагретого до температуры Т2 (температура кипения воды), в воду, находящуюся в калориметре 5 при температуре Т1. В калориметре в теплообмене участвуют четыре тела: исследуемое тело массой mТ, удельной теплоемкостью сТ и начальной температурой Т2; внутренний стакан калориметра 5 массой mК, удельной теплоемкостью сК и начальной температурой Т1; мешалка 6 массой mМ, удельной теплоемкостью сМ и начальной температурой Т1; находящаяся в калориметре вода массой mВ, удельной теплоемкостью сВ и начальной температурой Т1.

После теплообмена установится температура Т3. При этом энтропия каждого из тел (соответственно исследуемого тела, калориметра, мешалки и воды) изменится следующим образом (учтено, что ):

,

,

Изменение энтропии всей системы по (4) равно:

(5)

Так как процесс происходит в калориметре, т.е. без теплообмена с окружающей средой, то систему можно считать замкнутой (те. адиабатно изолированной) и по 2-закону термодинамики для необратимых процессов в этой системе DS>0. (Все реальные процессы - необратимые.)

Порядок выполнения работы

1.      Определяются массы калориметра mК, мешалки mМ и исследуемого тела mТ.

2.      Наливается вода в калориметр и определяется масса этой воды mВ (из разности масс калориметра с водой и без воды).

.        При помощи термометра определяется начальная температура Т1 исследуемого тела, калориметра, мешалки и воды.

.        Исследуемое тело устанавливается в объеме 4 (см. рис.1).

.        Включается электроплитка 2 и нагревается вода в бачке 1 до кипения. По лабораторному барометру определяется атмосферное давление Н0 и по формуле Т2=373К - 0,0375(760 - Н0) вычисляется температура кипения воды Т2 (Эту температуру можно определить и по таблице зависимости температуры кипения воды от давления).

.        Через 15-20 минут после того, как закипит вода в бачке 1, нагретое до температуры Т2 тело 3 выталкивается в калориметр 5 и, перемешивая мешалкой 6 воду в калориметре, следят за изменением температуры воды в калориметре. Определяется наибольшее значение конечной температуры Т3.

7.      Из справочных таблиц находятся удельные теплоемкости исследуемого тела сТ, калориметра сК, мешалки сМ и воды сВ.

8.      По формуле (5) находится изменение энтропии системы.

9.      Опыт повторяется не менее трех раз. Определяются среднее значение DS, абсолютные δ и относительные N погрешности измерений. Результаты всех измерений и вычислений заносятся в таблицу. Окончательный результат приводится в виде DS=DSср±δср.

Контрольные вопросы

1.      Порядок выполнения работы.

2.      Какие можно сделать выводы на основе изменений энтропии тел, входящих в систему?

.        Второй закон термодинамики.

.        Физический смысл энтропии.

Литература

1. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976. 480 с.

2.      Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.II. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, 1990. 592 с.

.        Физический практикум. Механика и молекулярная физика. / Под ред. проф. В.И.Ивероновой. М.: Наука, 1967. 352 c.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ЗНАЧЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Таблица 1. Некоторые фундаментальные физические постоянные

Таблица 2. Плотность (ρ) газов и паров при нормальном давлении и температуре 0 0С

Таблица 3. Плотность (ρ) некоторых жидкостей при нормальном давлении и температуре 20 0С

Таблица 4. Плотность (ρ) некоторых элементов и сплавов при нормальном давлении и температуре 20 0С