Статистическа и термодинамична физика
Измерване на латентна топлина на синтез (I)
Измерване на латентна топлина на синтез (II)
На тази страница са описани два експеримента, които ни позволяват да определим скритите топлини на сливане на водата:
Ледът плава по вода, плътността на леда е по-малка от плътността на водата. Този факт ни позволява да създадем експеримент за измерване на топлината на сливане на водата.
Вторият експеримент е процедурата на смесване, подобна на тази, използвана за определяне на специфичната топлина на твърдото вещество.
Промени в държавата
Обикновено веществото претърпява промяна в температурата, когато поглъща или предава топлина в околната среда. Когато обаче дадено вещество смени фазата, то поглъща или отдава топлина, без да предизвиква промяна в температурата. Жегата Въпрос: това е необходимо, за да допринесе, така че маса м на определена фаза на смяна на веществото е равно на
където L се нарича латентна топлина на веществото и зависи от вида на фазовата промяна.
Например, за да се промени водата от твърдо вещество (лед) в течност, при 0єC са ви необходими 334 · 10 3 J/kg. За преминаване от течност към пара при 100 ° C са необходими 226010 3 J/kg.
Следващата таблица предоставя данните, отнасящи се до промените в състоянието на някои вещества.
Източник: Кошкин Н. И., Ширкевич М. Г. Наръчник по елементарна физика, Edt. Мир (1975) стр. 74-75.
Промените в състоянието могат да бъдат обяснени качествено, както следва:
В твърдо вещество атомите и молекулите заемат фиксираните позиции на възлите на кристална решетка. Твърдото тяло има фиксиран обем и определена форма при липса на външни сили.
Атомите и молекулите вибрират, около техните позиции на стабилно равновесие, с увеличаване на амплитудата с увеличаване на температурата. Идва момент, когато те преодоляват атрактивните сили, които държат атомите във фиксираните им положения и твърдото вещество става течно. Атомите и молекулите все още се държат заедно чрез атрактивни сили, но те могат да се движат един спрямо друг, което кара течностите да се адаптират към контейнера, който ги съдържа, но да поддържат постоянен обем.
Когато температурата се повиши още повече, атрактивните сили, които държат атомите и молекулите заедно в течността, се преодоляват. Молекулите са далеч една от друга, те могат да се движат из контейнера, който ги съдържа и си взаимодействат само когато са много близо една до друга, в момента, в който се сблъскат. Газът има формата на контейнера, който го съдържа, и има тенденция да заема целия наличен обем.
Класически пример, използващ концепциите за специфична топлина и латентна топлина, е както следва:
Определете топлината, която трябва да бъде доставена, за да се превърне 1g лед при -20 ° C в пара при 100 ° C. Данните са както следва:
- Специфична топлина на лед гл= 2090 J/(kg K)
- Топлина от топящ се лед Lf= 334 10 3 J/kg
- Специфична топлина на водата ° С= 4180 J/(kg K)
- Топлина на изпаряване на водата Lv= 2260 10 3 J/kg
- Температурата на 1 g лед се повишава от -20 ° C (253 K) на 0 ° C (273 K)
- Ледът се топи
Q2= 0,001 334 10 3 = 334 Дж
- Температурата на водата се повишава от 0єC (273 K) до 100єC (373 K)
- 1 g вода при 100 ° C се превръща в пара при същата температура
Q4= 0,001 · 2260 · 10 3 = 2260 Дж
Ако имаме източник на топлина, който доставя енергия с постоянна скорост от Какво J/s можем да изчислим продължителността на всеки от етапите
Фигурата, която не е в мащаб, показва как температурата се увеличава с добавянето на топлина към системата. Изпаряването на вода изисква голямо количество топлина, както можем да видим на графиката и в изчисленията, направени в примера.
Фигурата по-долу е направена в мащаб с програмата Excel на Microsoft, като се вземат данните от таблицата
| Топлина, Q | Температура, T |
| 0 | -двайсет |
| 41.8 | 0 |
| 375,8 | 0 |
| 793.8 | 100 |
| 3053.8 | 100 |
Измерване на латентна топлина на синтез
Термосът се пълни с лед и се затваря. През запушалката се прокарва дълга стъклена тръба с малък разрез. С и два кабела, които се свързват с съпротивление, през което циркулира електрически ток, който загрява леда, за да го превърне във вода при 0єC.
През тръбата се добавя вода, за да се напълни бутилката и самата тръба.
В лявата част на фигурата е показана първоначалната ситуация. От дясната страна ситуацията след определено време т след свързване на резистора към батерия.
Експериментът се състои в измерване на енергията, необходима за намаляване на обема на системата с определено количество при постоянна температура и постоянно налягане.
В първоначалното състояние имаме маса М плътност на леда ρh= 0,917 g/cm 3 в обем V0.
След определено време т, маса Δм ледът се е превърнал във вода с плътност ρa= 1,0 g/cm 3, обемът V системата намалява
Промяната в обема, в абсолютна стойност, е
Да се стопи маса Δм лед и превръщането му във вода отнема количество топлина
където Lf е скритата топлина на синтез
Тъй като обемът на системата намалява, водата от вертикалната тръба навлиза в термос, намалявайки височината с ΔV = SΔз
Можем да измерим топлината Въпрос: който доставя електрическото съпротивление с течение на времето т.
Измерваме изменението на височината Δз вода във вертикалната стъклена тръба и изчистете скритата топлина на синтез Lf
Вертикалната тръбна секция е С= 0,1782 cm 2
Плътността на леда ρh= 0,917 g/cm3
Плътността на водата ρa= 1,0 g/cm3
Са изисквани Въпрос:= 13140 J, така че нивото на водата във вертикалната тръба да намалява Δз= 20 см
Дейности
Вертикалната тръбна секция е С= 0,1782 cm 2
Плътността на леда ρh= 0,917 g/cm3
Плътността на водата ρa= 1,0 g/cm3
Силата P = i 2 R W, действащ върху лентата за превъртане, озаглавена Мощност
Натиснете бутона със заглавие Започва
Забелязва се, че докато ледът се топи и става вода в контейнера, нивото на водата във вертикалната стъклена тръба намалява.
От дясната страна на аплета има брояч на енергията, разсейвана от съпротивлението, което топи леда.
Измерване на латентна топлина на синтез
Въвежда се тесто м от лед до калориметър с вода при температура т малко над стайната температура Ta и сместа се разбърква, докато ледът се разтопи напълно. Избира се масата м от лед, така че температурата Чай равновесието е малко под температурата на околната среда, т.е. T-Ta≈T-Te.
По този начин топлината, пренесена в околната среда през първия етап от преживяването, се компенсира от топлината, получена във втория етап.
В описания по-долу опит се използва процедурата за смесване, но топлинните печалби или загуби между калориметъра и околната среда не се вземат предвид.
Маса ма вода при начална температура Ta смесен с тесто mh лед при 0 ° С в калориметър. Сместа лед-вода се разбърква до достигане на крайната равновесна температура. Чай.
Могат да възникнат два случая
Част се топи м от първоначалната маса mh лед, оставяйки смес, образувана от лед (mh-м) и вода (ма+м) при крайната температура от Чай= 0єC.
- Топлината, погълната от леда е Q1 = mLf
- Топлината, отделяна от водата е Q2 = ma c(0-Ta)
Ако калориметърът е перфектно изолиран, не губи или набира топлина, ще бъде вярно, че
Q1 + Q2 = 0
(1)
Ако целият лед се стопи, крайното състояние е маса (mh + ma) на вода при крайна температура тe> 0.
Сега трябва да вземем предвид, че масата mh ледът се превръща във вода и след това повишава температурата си от 0єC до Чай. От друга страна, калориметърът (еквивалентната му маса във вода к) повишава температурата си от 0 ° C до Чай.
- Топлината, погълната от леда е Q1 = mh · Lf + mh · c ·(Чай-0)
- Топлина, погълната от калориметър Q2 = k c(Чай-0)
- Топлината, отделяна от водата е Q3 = ma c (Te-Ta)
Ако калориметърът е перфектно изолиран, не губи или набира топлина, ще бъде вярно, че
Q1 + Q2 + Q3 =0
(две)
На страницата „специфична топлина на твърдо вещество“ значението на еквивалентната маса вече е обяснено к в калориметър вода.
Дейности
- Измерване на водния еквивалент на калориметъра
Въвеждаме следните данни:
- Маса М вода в грамове в калориметър,
- Температура Т0 начален калориметър
- Маса м вода в грамове в измервателен цилиндър
- Температура т от водата
Натиснете бутона със заглавие приготви се, термометрите и градуираните везни за измерване на обема на водата отразяват въведените данни.
Ако сме доволни, натиснете бутона със заглавие Изчисли. Маса м вода се излива в калориметъра и в термометъра можем да отчитаме крайната равновесна температура Чай.
Пример:
- Бъда М= 170 g, Т0= 92,7 єC
- Бъда м= 170 g, и т= 2,7 єC
- Равновесната температура е Чай= 54,2єC
Водният еквивалент на калориметъра ще бъде
- Измерване на топлината на синтез
Въвеждаме следните данни:
- Маса mh лед в грамове в калориметър,
- Първоначалната температура на леда е фиксирана на 0 ° C
- Маса ма вода в грамове
- Температура Ta от водата
Натиснете бутона със заглавие приготви се.
Ако сме доволни, натиснете бутона със заглавие Изчисли. Водата се излива в калориметъра и в термометъра можем да отчитаме крайната равновесна температура Чай.
В случай, че само част от леда се стопи, крайната температура ще бъде Чай= 0єC. Ледът може да се отстрани от калориметъра и да се претегли на кантар. Известна маса м от лед топлината на синтез ще се определи по формулата (1). Когато възникне тази ситуация, масата на водата или нейната температура се увеличават или и двете едновременно, докато целият лед в калориметъра се разтопи.
- Лед: mh= 128 g,
- Вода, ма= 170 g, и Ta= 80єC
- Целият лед се топи и крайната равновесна температура е Чай= 9,5 єC
- Изчислихме еквивалентната маса във вода на калориметъра в предишния раздел. к= 57,4 g
Препратки
Soules J. A. Подобрен второкурсник за измерване на латентна топлина на синтез. Am. J. Phys. 35 (1967) стр. 23-26
Gьemez, Fiolhais C., Fiolhais M. Преразглеждане на експериментите на Блек върху латентните топлини на водата. Учителят по физика том 40, януари 2002 г., стр. 26-31