История. Изменение энтропии в изолированной и неизолированной системах

• Название: Изменение энтропии в изолированной и неизолированной системах
• Анкор: История
• Дата: 12.12.2022
• Размер: 217 Kb.
• Имя файла: 10++.doc
• Тип: Лабораторная работа; #841350

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 , бачок с водой комнатной температуры, мензурка на 100 – 150 мл, весы технические с разновесами, набор из 5 исследуемых образцов (№1 и №2 – свинцовые, №3 и №4 – медные, №5 - стальной)

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

(1)

где - изменение энтропии системы. При этом знак равенства относится к обратимым процессам, а знак неравенства – к необратимым. Таким образом, величина в изолированной системе может служить мерой необратимости протекающих в ней процессов: чем меньше , тем ближе процесс к обратимому. Изменение энтропии тела определяется по формуле:

(2)

где - удельная теплоемкость тела, - масса тела, - начальная температура тела, - конечная температура тела.

Изменение энтропии системы тел равно сумме изменений энтропий каждого тела системы

(3)

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 в воду, находящуюся в калориметре при температуре . Наличие внешнего стакана и крышки делает систему практически изолированной. В предлагаемой системе участвуют 4 тела (рисунок 1).

1. 
   Испытуемый образец массой , удельной теплоемкостью и начальной температурой (температура паров кипящей воды по шкале Кельвина).
   
2. 
   Стакан калориметра массой , удельной теплоемкостью и начальной
   

температурой .

3. 
   Мешалка массой , удельной теплоемкостью и начальной температурой .
   
4. 
   Вода калориметра массой , удельной теплоемкостью и начальной
   

температурой .

После теплообмена установится общая температура . При этом энтропия каждого из тел изменится следующим образом:

1. 
   Тело
   
2. 
   Тело
   
3. 
   Тело
   
4. 
   Тело
   

Учитывая свойства аддитивности энтропии, можно рассчитать изменение энтропии всей системы:

(4)

По этой формуле производятся расчеты.

ХОД РАБОТЫ

1. 
   Включить нагреватель, предварительно поместив в него испытуемое тело известной массы. (Значения массы тел, мешалки и калориметра указаны в конце данной инструкции).
   
2. 
   Пока вода в нагревателе нагревается, наполнить водой мензурку
   

(точно 100 мл) и вылить воду в стакан калориметра.

3. 
   Поставить калориметр вдали от нагревателя и отметить температуру воды
   

в нем .

4. 
   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.
   
5. 
   Когда температура достигнет максимального значения , зафиксировать ее и записать в таблицу №1.
   
6. 
   По формуле (4) вычислить изменение энтропии и занести в таблицу.
   
7. 
   Вылить воду из стакана калориметра и охладить его водой комнатной температуры.
   
8. 
   Действия, перечисленные в пунктах 3 – 7 повторить с каждым из тел и результаты занести в таблицу.
   
9. 
   Построить график зависимости изменения энтропии от теплоемкости ( ) опускаемых в воду тел.
   

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:

при .

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 ВОПРОСЫ

1. 
   В чем статистический смысл энтропии?
   
2. 
   Приведите различные формулировке второго начала термодинамики. Докажите эквивалентность формулировок Клаузиуса и Томсона.
   
3. 
   Что называют обратимым и необратимым процессами? Равновесным и неравновесным?
   
4. 
   Каков КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно?
   
5. 
   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 , в состояние 2 с параметрами , то изменение энтропии системы при таком переходе может быть вычислено по формуле:

(1)

где - элементарный приток тепла в систему, - температура всей системы.

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 ) одинаковы в любой конечной области занимаемого пространства.

В отличие от изолированной системы, в которой при необратимых процессах изменение энтропии всегда положительно ( ), в неизолированной системе может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от характера теплообмена с окружающей средой. В данной лабораторной работе определяется изменение энтропии, происходящее при плавлении определенной массы нафталина. Если первоначально нафталин находится при комнатной температуре, то при подведении тепла он сначала нагревается до температуры плавления, потом плавится при постоянной температуре. Изменение энтропии на первом этапе процесса:

(2)

где - температура плавления,

- начальная температура,

- удельная теплоемкость.

Для нафталина .

На втором этапе при плавлении изменение энтропии:
(3)

где - удельная теплота плавления. Для нафталина .
Полное изменение энтропии:

(4)

, так как рассматриваемый процесс сопровождается притоком тепла в систему. Таким образом, для вычисления надо знать температуру плавления нафталина. Изменение этой производится дифференциальной термопарой при помощи потенциометра ПП – 63. искомая температура определяется по градировочной кривой, действительной только для примененной в данной работе термопары (хромель - алюмель). Собирают установку по рабочей схеме (рисунок 3).

Спай термопары 2 помещается в сосуд с тающим льдом, т.е. находится при температуре .

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. 
   Ознакомиться с приборами данной работы.
   
2. 
   Подготовить сосуд с тающим льдом.
   
3. 
   Включить нагреватель в сеть. Одновременно, включив секундомер, следить за изменением температуры нафталина. Через каждые 15 минут измерить значения термоэдс.
   
4. 
   Нагрев нафталин на выше точки плавления, выключить нагреватель и продолжать снимать показания потенциометра, пока весь нафталин не кристаллизуется.
   
5. 
   На миллиметровой бумаге построить график изменения термоэдс от времени.
   
6. 
   По полученному графику, усредняя, определить показание потенциометра соответствующее участку кривой, параллельной оси времени.
   
7. 
   По градировочной кривой термопары определить температуру плавления
   

парафина .

8. 
   Измерить комнатную температуру .
   
9. 
   По формуле 4 рассчитать изменение энтропии неизолированной системы. Сделать соответствующие выводы.
   

В данной работе масса нафталина .


Таблица 1


Таблица 2

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. 
   Привести примеры обратимых и необратимых процессов.
   
2. 
   Что называется функцией состояния? Привести пример.
   
3. 
   Чем отличается характер плавления кристаллических тел от аморфных?
   
4. 
   Какие превращения называются фазовыми переходами I рода, II рода?
   
5. 
   Как связаны необратимость процессов и их вероятность?
   

Литература

1. 
   Трофимова Т.И. Курс физики.- М.: Высшая школа, 1997.
   
2. 
   Савельев И.В. Курс общей физики. Т.I .- М.: Наука, 1989.
   
3. 
   Кикоин А.К., Кикоин И.К. Общий курс физики. Молекулярная физика.- М.: Наука, 1975.
   
4. 
   Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики.- М.: Высшая школа, 2002.
   
5. 
   Иверонова В.И. Физический практикум.- М.: Наука, 1967.
   
6. 
   Кортнев А.В. Практикум по физике. - М.: Высшая школа, 1965.
   
7. 
   Авдусь З.И. Практикум по общей физике. - М.: Просвещение, 1971.
   
8. 
   Мойсова Н.Н. Практикум по курсу общей физики. – М.: Росиздат, 1963.