История. Изменение энтропии в изолированной и неизолированной системах
![]()
|
Приднестровский Государственный Университет имени Т. Г. Шевченко Кафедра общей физики и МПФ Лаборатория общего физического практикума Раздел: МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА Лабораторная работа № 2.10 Тема: Изменение энтропии в изолированной и неизолированной системах Тирасполь, 2011 Лабораторная работа № 2.10 Тема: Изменение энтропии в изолированной и неизолированной системах. Цель работы: Исследование второго начала термодинамики путем измерения изменения энтропии в адиабатных процессах. Приборы и принадлежности: Калориметр с мешалкой, нагреватель, термометр с ценой деления ![]() КРАТКАЯ ТЕОРИЯ Часть I. Исследование изменения энтропии в изолированной системе Для описания системы с помощью второго начала(закона) термодинамики Клаузиус ввел функцию параметров состояния, названную им энтропией. Пользуясь понятием энтропии основное содержание второго начала(закона) термодинамики можно сформулировать следующим образом: энтропия изолированной системы при любых происходящих в ней процессах не может убывать ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() Изменение энтропии системы тел равно сумме изменений энтропий каждого тела системы ![]() При нагревании тела энтропия возрастает, при охлаждении – уменьшается. В данной работе предлагается измерить изменение энтропии изолированной системы, в которой происходит необратимый процесс теплообмена. Теплообмен происходит при опускании различных тел, нагретых до одной и той же температуры ![]() ![]() Испытуемый образец массой ![]() ![]() ![]() Стакан калориметра массой ![]() ![]() температурой ![]() Мешалка массой ![]() ![]() ![]() Вода калориметра массой ![]() ![]() температурой ![]() После теплообмена установится общая температура ![]() Тело ![]() Тело ![]() Тело ![]() Тело ![]() Учитывая свойства аддитивности энтропии, можно рассчитать изменение энтропии всей системы: ![]() ![]() По этой формуле производятся расчеты. ХОД РАБОТЫВключить нагреватель, предварительно поместив в него испытуемое тело известной массы. (Значения массы тел, мешалки и калориметра указаны в конце данной инструкции). Пока вода в нагревателе нагревается, наполнить водой мензурку (точно 100 мл) и вылить воду в стакан калориметра. Поставить калориметр вдали от нагревателя и отметить температуру воды в нем ![]() После того как закипит вода в нагревателе, выдержать тело в кипящей воде не менее 10 минут, после чего вынуть за веревочку тело из кипящей воды и немедленно опустить в калориметр. Калориметр после этого быстро закрыть крышкой, отодвинуть от нагревателя и следить за ростом температуры. Когда температура достигнет максимального значения ![]() По формуле (4) вычислить изменение энтропии ![]() Вылить воду из стакана калориметра и охладить его водой комнатной температуры. Действия, перечисленные в пунктах 3 – 7 повторить с каждым из тел и результаты занести в таблицу. Построить график зависимости изменения энтропии ![]() ![]() ПРИМЕЧАНИЕ:1. Важно, чтобы в каждом опыте масса воды, а также ее начальная температура были одинаковыми. Поэтому используется бачок с водой комнатной температуры. 2. Мешалкой необходимо пользоваться только в конце процесса роста температуры, делая не более 3 – 5 перемешиваний. 3. Натуральные логарифмы чисел, близких к 1, вычислить, пользуясь приближенной формулой: ![]() ![]() В остальных случаях пользоваться справочниками, например, Бронштейн И.М. и Семендяев К. А. «Справочник по математике». 4.Логарифмы брать с точность до 4 знаков. Пример: ![]() 5. Удельные теплоемкости находят в справочниках. 6. Таблицы частично заполняются при подготовке к работе. 7. Значения логарифмов удобно занести в таблицу №2. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫВ чем статистический смысл энтропии? Приведите различные формулировке второго начала термодинамики. Докажите эквивалентность формулировок Клаузиуса и Томсона. Что называют обратимым и необратимым процессами? Равновесным и неравновесным? Каков КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно? Что понимают под вечным двигателем второго рода? Часть 2. Исследование изменения энтропии в неизолированной системе Приборы и принадлежности: тигель с нафталином, термометр, милливольтметр, электроплитка, сосуд со льдом, градуировочная кривая термопары, секундомер. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ Если некоторая система обратимо переходит из состояния 1, характеризующегося параметрами ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() Интеграл берется вдоль «траектории» процесса, т.е. вдоль кривой 1 – 2 (см. рисунок 2). Так как энтропия является функцией параметров состояния, то формулу (1)можно применять и к вычислению энтропии необратимого процесса, если интеграл брать по любому обратному пути, и если начальное и конечное состояния системы являются однородными. Система называется однородной, если ее параметры (например ![]() В отличие от изолированной системы, в которой при необратимых процессах изменение энтропии всегда положительно ( ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() Для нафталина ![]() ![]() На втором этапе при плавлении изменение энтропии: ![]() где ![]() ![]() ![]() Полное изменение энтропии: ![]() ![]() ![]() Спай термопары 2 помещается в сосуд с тающим льдом, т.е. находится при температуре ![]() ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬОзнакомиться с приборами данной работы. Подготовить сосуд с тающим льдом. Включить нагреватель в сеть. Одновременно, включив секундомер, следить за изменением температуры нафталина. Через каждые 15 минут измерить значения термоэдс. Нагрев нафталин на ![]() На миллиметровой бумаге построить график изменения термоэдс от времени. По полученному графику, усредняя, определить показание потенциометра соответствующее участку кривой, параллельной оси времени. По градировочной кривой термопары определить температуру плавления парафина ![]() Измерить комнатную температуру ![]() По формуле 4 рассчитать изменение энтропии неизолированной системы. Сделать соответствующие выводы. В данной работе масса нафталина ![]() ![]() Таблица 1
Таблица 2
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫПривести примеры обратимых и необратимых процессов. Что называется функцией состояния? Привести пример. Чем отличается характер плавления кристаллических тел от аморфных? Какие превращения называются фазовыми переходами I рода, II рода? Как связаны необратимость процессов и их вероятность? Литература Трофимова Т.И. Курс физики.- М.: Высшая школа, 1997. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.I .- М.: Наука, 1989. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Общий курс физики. Молекулярная физика.- М.: Наука, 1975. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики.- М.: Высшая школа, 2002. Иверонова В.И. Физический практикум.- М.: Наука, 1967. Кортнев А.В. Практикум по физике. - М.: Высшая школа, 1965. Авдусь З.И. Практикум по общей физике. - М.: Просвещение, 1971. Мойсова Н.Н. Практикум по курсу общей физики. – М.: Росиздат, 1963. |