ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 17.
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЛАВЛЕНИЯ И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ОЛОВА
Цель работы: ознакомиться с фазовыми переходами первого рода, получить диаграмму нагревания и плавления, а также охлаждения и кристаллизации олова, определить температуру плавления олова, определить изменение энтропии при нагревании и плавлении олова.
Оборудование: установка ФПТ1-11, которая состоит из размещенных на общей стойке приборного блока с органами управления и блока рабочего элемента, содержащего исследуемый материал – олово, нагреватель и датчик температуры.
Краткая теория работы
Вещество в определенном агрегатном состояниии может существовать в нескольких устойчивых состояниях называемых фазами. Фаза - однородная по химическому сотаву и физическому состоянию система или часть систем,ограниченная поверхностью раздела.
При термодинамическом равновесии может возникнуть неоднородное состояние системы,при котором она распадается на неколько фаз - жидкость,твердое тело и газ. Их ранвовесное сосуществование называется фазовым равновесием. Вода,лед и пар - привыный пример разных фаз одного и того же вещества.
Процесс перехода фаз друг в дурга при измении температурыи давления называется фазовым превращением.
Переход из одной фазы в другую при определенных температуре и давлении сопровождается выделением или поглощением некоторого количества теплоты.
Фазовые переходы первого рода - фазовые превращения, при которых скачкообразно изменяются такие характеристики вещества, как плотность, удельный и молярный объем, концентрации компонентов.Наиболее распространённые примеры фазовых переходов первого рода:плавление и кристаллизация, испарение и конденсация, сублимация и десублимация.
Плавлением называется переход вещества из кристаллического состояния в жидкое. Для плавления m кг при температуре t необходимо сообщить твердому телу количество теплотыQ.
Кристаллизацией называется процесс перехода жидкости в твердое состояние. Для кристаллизации необходимо переохлаждение, характеризующееся отклонением температуры от равновесного состояния.
При фазовом переходе второго рода плотность и внутренняя энергия не меняются, так что невооружённым глазом такой фазовый переход может быть незаметен. Скачок же испытывают их производные по температуре и давлению: теплоёмкость, коэффициент теплового расширения, различные восприимчивости и т. д.
Как сказано выше, под скачкообразным изменением свойств вещества имеется в виду скачок при изменении температуры и давления. В реальности же, воздействуя на систему, мы изменяем не эти величины, а её объем и её полную внутреннюю энергию. Это изменение всегда происходит с какой-то конечной скоростью, а значит, что для того, чтобы «покрыть» весь разрыв в плотности или удельной внутренней энергии, нам требуется некоторое конечное время. В течение этого времени фазовый переход происходит не сразу во всём объёме вещества, а постепенно. При этом в случае фазового перехода первого рода выделяется (или забирается) определённое количество энергии, которая называется теплотой фазового перехода (скрытая теплота перехода). Для того, чтобы фазовый переход не останавливался, требуется непрерывно отводить (или подводить) это тепло, либо компенсировать его совершением работы над системой.
Рисунок 1 - Диаграмма нагревания и плавления, а также охлаждения и кристаллизации металла
Рассмотрим основные особенности фазовых переходов первого рода, проанализировав диаграмму нагревания и плавления, а также охлаждения и кристаллизации металла. Качественный вид диаграммы показан на рисунке 1. Здесь на оси абсцисс отложено время τ, а на оси ординат - температура t образца, tк - начальная (комнатная) температура.
Температура металла повышается сначала быстро, потом медленно (участок ab). Чем выше температура, тем больше потери теплоты в окружающее пространство, поэтому происходит замедление нагрева.
При некоторой температуре tп начинается процесс плавления, и, пока он идет, температура не меняется. На графике получается горизонтальная линия - участок bd. В это время происходит изотермическое плавление, и вся сообщенная телу теплота идет на разрушение его кристаллической решетки. Когда заканчивается процесс плавления, образуется жидкая фаза и ее температура начинает повышаться (участок de). Если в некоторый момент времени τвыкл прекратить нагрев жидкости и начать ее охлаждать, то кривая пойдет вниз (участок ef). Когда температура понизится до tп, то начнется процесс кристаллизации.
Этот процесс протекает с выделением скрытой теплоты перехода. Пока атомы и молекулы жидкой фазы образуют кристаллическую решетку, температура металла остается неизменной. На графике возникает вторая прямая горизонтальная линия (участок fg). Когда процесс кристаллизации закончится, прекратится выделение скрытой теплоты перехода и образец начнет охлаждаться (участок gh).
Найдем изменение энтропии металла при его переходе из состояния а в состояние d (рисунок 1). Оно определяется как сумма изменений энтропии при нагревании (участок ab) и плавлении (участок bd):
. (1)
Энтропия – функция состояния, определяющая меру необратимого рассеяния энергии. Мера неупорядочности в системе.
Поскольку для обратимых процессов элементарное изменение энтропии
, (2)
где 
– бесконечно малое количество теплоты, сообщенное телу.
После подстановки выражения (2) в формулу (1) получим
, (3)
где Тп – абсолютная температура плавления.
Учитывая, что 
(с – удельная теплоемкость, m – масса образца) и 
(λ – удельная теплота плавления), из соотношения (3) получим
, (4)
где Тк – комнатная температура, выраженная в абсолютных единицах.
Подчеркнем, что оба слагаемых в формуле (4) положительны. Это связано с увеличением степени беспорядка в скоростях (первое слагаемое) и координатах (второе слагаемое) молекул при нагревании и плавлении соответственно.
Описание экспериментальной установки ФПТ 1-4
Экспериментальная установка представляет конструкцию настольного типа, состоящую из трех основных частей: приборного блока 1, блока рабочего элемента 2, стойки (рисунок 2).
Рисунок 2 – Общий вид установки ФПТ 1-11
На лицевой панели приборного блока находятся органы управления и регулирования установки, цифровой секундомер, вольтметр, амперметр, элементы световой индикации.
Блок рабочего элемента закрыт экраном из оргстекла. На передней панели закреплен кронштейн 7, на котором установлен стакан 4 с исследуемым материалом – оловом массой 150 грамм. В стакане размещены нагреватель 5 и датчик температуры 6. Нагреватель выполнен из ни хромовой спирали, заключенной в кожух из кварцевого стекла. Разъем 3 предназначен для подключения кабеля к блоку рабочего элемента. Измерение температуры осуществляется цифровым контролером 8. С помощью установки строится график зависимости температуры олова от времени t (τ) – диаграмма нагревания и плавления, а также охлаждения и кристаллизации. Этот график используется для нахождения температуры плавления tn. Затем по формуле (4) находится изменение энтропии при нагревании и плавлении олова.