Лабораторная работа №9
Определение теплоты кристаллизации вещества
Цель работы: определить теплоту отвердевания (кристаллизации) олова.
Краткая теория
Отвердевание жидкости - это переход вещества из некристаллического жидкого в кристаллическое твердое состояние (фазовый переход). Иными словами, когда при охлаждении жидкости она превращается в твердое тело, то происходит образование кристаллической решетки. А в кристалле частицы вещества - атомы или молекулы - располагаются так, чтобы их взаимная потенциальная энергия взаимодействия была минимальна. Получающаяся при этом избыточная энергия выделяется, переходя в кинетическую энергию теплового движения. Это должно бы было привести к повышению температуры, но так как одновременно происходит и отвод энергии в окружающую среду, то выделяющаяся при кристаллизации энергия компенсирует этот теплоотвод, и температура во время кристаллизации остается постоянной.
Наоборот, когда к твердому телу подводится тепло, то оно нагревается и при определенной температуре плавится, превращаясь в жидкость. Плавление означает разрушение кристаллической решетки, в результате чего потенциальная энергия взаимодействия частиц возрастает. На это, а не на повышение температуры тела, и тратиться подводимая энергия. Поэтому и во время плавления температура вещества остается постоянной.
Поглощаемую теплоту плавления и выделяемую теплоту отвердевания часто называют "скрытыми теплотами". (“скрытыми” - потому, что они не приводят к изменению температуры). У чистых однородных веществ температуры плавления и кристаллизации совпадают. Равны также и скрытые теплоты плавления и отвердевания.
Выделение и поглощение скрытых теплот перехода - непременный признак так называемых фазовых переходов первого рода. Именно таким фазовым переходом первого рода и являются переходы “жидкость - твердое тело” и “твердое тело - жидкость”.
Метод измерения теплоты перехода основан на том, что при отвердевании выделяющаяся теплота кристаллизации компенсирует отвод тепла от охлаждаемого вещества к внешней среде и потому температура вещества во время кристаллизации остается постоянной.
Это означает, что теплота кристаллизации выделяется с такой же скоростью, с какой теплота отводится в окружающую среду. Непосредственно измерять скорость теплоотвода во время кристаллизации нельзя, так как температура при этом остается постоянной. Но можно определить скорость теплоотвода до начала кристаллизации и после ее окончания. Скорость же теплоотвода во время кристаллизации можно принять равной среднеарифметическому между ними.
Пусть исследуемое вещество (олово) имеет массу М, удельную теплоемкость в жидком состоянии СЖ и в твердом состоянии - СТВ. Пусть далее масса тигля, в котором содержится вещество, равна mТ и удельная теплоемкость материала тигля равна СТ. Тогда,, если за время DtЖ температура тигля с жидким веществом изменилась на DtЖ, то скорость теплоотвода от тигля с жидким веществом будет равна
. (1)
Таким же образом скорость теплоотвода после того, как вещество отвердеет (кристаллизуется), будет равна
, (2)
Скорость теплоотвода во время кристаллизации можно записать так
. (3)
С другой стороны, как отмечалось, скорость теплоотвода во время кристаллизации равна скорости теплоподвода скрытой теплоты кристаллизации. Если удельную скрытую теплоту кристаллизации обозначим q, а время кристаллизации - t, то можно записать
. (4)
Теперь, используя формулу (3) получаем для q
. (5)
Методика измерений
Исследуемым веществом в данной работе является олово, которое находится в алундовом тигле, закрепленном на специальном держателе. Держатель с тиглем помещают в печь и нагревают его до тех пор, пока олово не расплавится. В расплавленное олово помещают термопару, закрепленную на том же держателе. Термопара - это устройство для определения температуры, которое создает ЭДС, пропорциональную температуре. Эта ЭДС измеряется самопишущим потенциометром.
 |
Наблюдая за показаниями потенциометра, надо нагревать олово до тех пор, пока стрелка потенциометра не дойдет до конца шкалы. После этого держатель с тиглем и термопарой аккуратно вынимают из печи и отводят в сторону. На потенциометре включают перемещение диаграммы, и он начинает рисовать кривую охлаждения олова, то есть зависимость температуры олова от времени.
Кривая имеет вид, подобный изображенному на рисунке. Правый наклонный участок описывает процесс остывания жидкого олова. Вертикальный участок графика относится к процессу кристаллизации (tКР = Const). Процесс охлаждения твердого олова описывается левым наклонным участком.
Для подсчета скорости изменения температуры тигля с жидким (DtЖ /DtЖ) и твердым оловом (DtТВ/DtТВ) нужно на нижнем и верхнем наклонных участках кривой плавления построить прямоугольные треугольники. Лучше всего это сделать так, чтобы горизонтальные катеты были равны 1mV, то есть DЕЖ=DЕТВ=1mV. Тогда длина соответствующих вертикальных катетов может быть измерена, например, линейкой. Для расчета времен DtЖ , DtТВ необходимо длину соответствующих вертикальных катетов разделить на скорость перемещения диаграммной бумаги v=720мм/час=0,2мм/с, то есть
, (6)
где DLТВ и DLЖ – длины вертикальных катетов соответствующих треугольников, а L – длина вертикального участка кривой охлаждения.
Для подсчета разности температур DtЖ и DtТВ, необходимо показания термопары в из mV перевести в градусы. Известно, что зависимость ЭДС термопары (E,mV) от температуры (t,0С) прямо пропорциональная (линейная). Поэтому такой перевод можно сделать так - при комнатной температуре (tКОМ ) ЭДС термопары (ЕКОМ) равна 0 mV, а при температуре кристаллизации олова tКР=2320С ЭДС термопары (ЕКР), соответствует вертикальному участку кривой охлаждения. То есть ЕКР милливольт соответствует (tКР - tКОМ) градусов. Значит 1mV соответствует (tКР - tКОМ)/ ЕКР 0C.
Теперь, если известны удельные теплоемкости и массы олова и тигля, можно по формуле (5) рассчитать удельную теплоту кристаллизации. (Масса тигля, а также величины СЖ и СТВ приведены в табличке на рабочем столе.)
Порядок выполнения работы
1. Тигель с оловом взвесить на весах. Зная mТ определить М.
2. Тигель с оловом установить на специальный держатель и поместить держатель в электрическую печь. Включить печь и потенциометр в сеть.
3. После того как олово расплавится, погрузить термопару в жидкое олово и продолжать нагрев до тех пор, пока ЭДС термопары не достигнет 10 mV.
4. Вынуть держатель из печи и повернуть его подальше от печи. На потенциометре включить перемещение диаграммы. Все эти операции проделать быстро, но осторожно.
5. Подождать пока перо самописца нарисует кривую охлаждения олова. Выключить перемещение диаграммы. Поместить тигель в печь и повторить опыт. Всего провести 2-3 опыта.
6. После окончания опытов поместить тигель с термопарой в печь, расплавить олово и вынуть термопару из него.
7. Аккуратно, чтобы не нарушить крепления диаграммной бумаги на вращающемся барабане потенциометра, отрезать бумагу с полученными кривыми охлаждения.
8.Пользуясь формулами (5), (6) и (7) подсчитать q. Погрешность результата рассчитать как случайную погрешность. Сравнить полученный результат со справочными данными.
Контрольные вопросы
Какие Вы знаете состояния вещества? Охарактеризуйте каждое из них.
Опишите процесс кристаллизации (плавления) с точки зрения внутреннего состояния вещества.
Что такое удельная теплота кристаллизации (плавления)? В каких единицах она выражается? Для чего и как она определяется?
Вывести формулу для расчета значения величины удельной теплоты кристаллизации (плавления) в данной работе.