зМІНА ентропії в реальних системах
Мета: Вивчити зміну ентропії в реальних системах, показати залежність її від маси та питомої теплоємності тіла.
Прилади і матеріали: калориметри, кип’ятильник, тер момент, мензурка, набір різних тіл, вага, штатив, дистильована вода.
Література: Євграфові, Каган “Руководство к лабораторным работам по физике», Высшая школа» 1970.
Кікоїн У.К. “Молекулярна фізика” “Рад.школа”.
Тип заняття: засвоювання знань, умінь і навичок.
Структура заняття
І.Організаційний момент.
ІІ. Підготовка до виконання лабораторної роботи.
ІІІ. Виконання лабораторної роботи
ІV. Підсумок лабораторної роботи.
Теоретичні відомості
Процес переходу до стану рівноваги називається релаксацією А час потрібний для цього, називається часом релаксації.
Оборотним процесом називається така зміна стану системи (або одного окремого тіла), яка будучи проведена у зворотному напрямі, повертає її в початковий стан так, щоб система пройшла через ті самі проміжні стани, що і в прямому процесі, але в зворотній послідовності, а стан тіл поза системою залишився незмінним.
Процеси, які не задовольняють наведену вище умову оборотності, називають необоротними.
Перше начало термодинаміки: ?Q= dE + ?A
?Q, ?A – функції процесу dE – функції стану
Ізотермічний процес Т = const
А = RT ln EMBED Equation.3 А = RT ln EMBED Equation.3
А = EMBED Equation.3 RT ln EMBED Equation.3 А = EMBED Equation.3 RT ln EMBED Equation.3
Ізохорний процес V = const
А=0
Ізобарний процес Р = const
А = EMBED Equation.3 А = EMBED Equation.3
А = EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 А = EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
4.Адіабатичний процес
А = EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
Сукупність змін стану тіла у результаті яких стан відновлюється називається циклом.
Цикл Ларно – це цикл, який складається з двох ізотерм і двох дедіабат.
V0 V3 V1 V2 V
P
P0
АВ – ізометричне розширення
А1 = EMBED Equation.3 ln EMBED Equation.3 =Q0
DC – адіабатичне розширення
А1+Ао = EMBED Equation.3 ln EMBED Equation.3 + EMBED Equation.3
СD – ізотермічний стиск
А3 = EMBED Equation.3 ln EMBED Equation.3 =Q
EMBED Equation.3 А – адіабатичний стиск
А4 = EMBED Equation.3
А = А1+ А2+А3+ А4= EMBED Equation.3 ln EMBED Equation.3 + EMBED Equation.3 - EMBED Equation.3 ln EMBED Equation.3 + EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3 =2, то а = EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 А>0
Коефіцієнт корисної дії в циклі Корно: EMBED Equation.3 2<1
К.к.д. залежить від співвідношення між температурами нагрівання і холодильника.
Перша теорема Карно: теплова машина, яка працює при даних значеннях температур нагрівника і холодильника, не може мати к.к.д. більший, ніж машина, що працює за оборотним циклом Карно при тих самих значеннях температур нагрівання і холодильника.
Друга теорема Карно: коефіцієнт корисної дії циклу Карно не залежить від роду робочого тіла, а тільки від температур нагрівника і холодильника.
Кількість тепла, яка треба надати тілу або відібрати від нього при переході від одного стану до іншого, не визначається однозначно початковим і кінцевим станами, і істотно залежить від сто сопу здійснення цього переходу.
EMBED Equation.3 - приведена теплота.
S = EMBED Equation.3 - ентропія
dS = EMBED Equation.3 Оскільки EMBED Equation.3 , то EMBED Equation.3 - ІІ начало термодинаміки.
Ентропія є функція стану.
Зростання ентропії в будь-якому процесі триває не безмежно, а лише до певного максимального значення характерного для даної системи. Це максимальне значення ентропії відповідає стану рівноваги і після того. Як його досягнуто, будь-які зміни стану без зовнішнього впливу припиняються.
Необоротні процеси в замкнутій системі завжди супроводяться зростанням ентропії.
Контрольні питання
Поняття про оборотні і необоротні процеси,
І закон термодинаміки.
Робота термодинамічної системи при різних процесах.
ІІ закон термодинаміки.
Цикл Карно:
Поняття про ентропію.
Пояснити метод експериментальних досліджень.
Порядок виконання роботи
Включають нагрівач попередньо помістивши у нього досліджуване тіло.
Поки тіло нагрівається, наповнюють водою водомірну склянку (100 см3) і виливають її у посудину колориметра.
Калориметр поміщають на відстані від нагрівача і відмічають температуру води.
Після того, як закипить вода у нагрівачі, чекають не менше 3 хвилини, після чого за допомогою гачка тіло поміщають у калориметр.
Після виконання операції 4 слідкують за зростанням температури.
Фіксують максимальне значення температури.
Операції, перераховані у пунктах 1-6 повторюють для тіл з різними масами.
Будують графік затяжності EMBED Equation.3 S від mт і ст.
Параметри фіз. величин, які даються у лабораторній роботі.
Маси тіл з латуні:
m1 = 65,1 х 10-3 кг
m2 = 126,3 х 10-3 кг
m3 = 160,0 х 10-3 кг
Маса тіл з латуні: mл = 30,4 х 10-3 кг
Алюмінію: mа = 30,75 х 10-3 кг
Заліза: m3 = 30,8 х 10-3 кг
Теплоємність води: св =4,187 х 103 EMBED Equation.3
Латуні: сл =384 EMBED Equation.3
Заліза: с3 =498 EMBED Equation.3
Алюмінію: са =879 EMBED Equation.3
При визначенні зміни ентропії для тіл з однаковою теплоємністю води в калоримети наливають по 150 мл.
Дні тіл приблизно однакової маси – по 100 мл.
Маса калориметрів: mк1 = 48,15 х 10-3 кг
mк2 = 49,85 х 10-3 кг
mк3 = 48,85 х 10-3 кг
Робоча формула:
EMBED Equation.3 S = (mкск + mвсв) ln EMBED Equation.3 + mтст ln EMBED Equation.3
Хід роботи
Залежність EMBED Equation.3 S від mт
Залежність EMBED Equation.3 S від ст
Залежність зміни ентропії від маси тіла:
1) EMBED Equation.3 S1 = (mкск + mвсв) ln EMBED Equation.3 + mтст ln EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 S1 = (48,15 х 10-3 х 879 +0,1 х 4,187 х 10-3) ln EMBED Equation.3 + 65,1 х 10-3 х 384 ln EMBED Equation.3
2) EMBED Equation.3 S2 = (49,85 х 10-3 х 879 +0,1 х 4,187 х 10-3) ln EMBED Equation.3 + 126,3 х 10-3 х 384 ln EMBED Equation.3
3) EMBED Equation.3 S3 = (48,85 х 10-3 х 879 +0,1 х 4,187 х 10-3) ln EMBED Equation.3 + 160 х 10-3 х 384 ln EMBED Equation.3
Залежність зміни ентропії від теплоємності тіла:
1) EMBED Equation.3 S1 = (48,15 х 10-3 х 879 +0,1 х 4,187 х 10-3) ln EMBED Equation.3 + 30,4 х 10-3 х 384 ln EMBED Equation.3
2) EMBED Equation.3 S2 = (49,85 х 10-3 х 879 +0,1 х 4,187 х 10-3) ln EMBED Equation.3 + 30,8 х 10-3 х 498 ln EMBED Equation.3
3) EMBED Equation.3 S3 = (48,85 х 10-3 х 879 +0,1 х 4,187 х 10-3) ln EMBED Equation.3 + 30,75 х 10-3 х 879 ln EMBED Equation.3
Якщо в калориметр, в якому знаходиться деяка кількість води при даній температур, опустити нагріте до вищої температури тіла, то виникне теплообмін і встановиться однакова температура.
Зміна енергії процесу між станами 1:2.
EMBED Equation.3 S12 = EMBED Equation.3
Внаслідок адитивності ентропії EMBED Equation.3 S = EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 S – зміна ентропії системи msn, EMBED Equation.3 Sі - зміна ентропії одного тіла – n – число min – с-ми.
До даної системи входять: досліджуване тіло масою mт (температура кипіння води 373оС К,, калориметрична посудина масою mк з питомою теплоємністю ск і початковою температурою то, вода в калориметрі масою mв і питомою теплоємністю св і температурою то.
Після закінчення теплообміну встановиться температура Т.
При вирівнюванні температури ентропія кожного з msn змінюється.
EMBED Equation.3 S1 = mтст ln EMBED Equation.3 - тіло
EMBED Equation.3 S2 = mкск ln EMBED Equation.3 - калориметр
EMBED Equation.3 S3 = mвсв ln EMBED Equation.3 - вода
Зміна ентропії всієї системи:
EMBED Equation.3 S1 = (mкск + mвсв) ln EMBED Equation.3 + mтст ln EMBED Equation.3
У роботі пропонується розрахувати зміну ентропії декількох тіл при зануренні їх у воду.