Методика эксперимента. Рассчитаем изменение энтропии при плавлении и нагревании вещества

Рассчитаем изменение энтропии при плавлении и нагревании вещества. Плавлением называется процесс перехода из твердого состояния вещества в жидкое. Плавление происходит при определённой для каждого вещества температуре и сопровождается поглощением энергии в виде скрытой теплоты плавления. «Скрытой» она называется потому, что подвод этой теплоты не сопровождается повышением температуры. Количество теплоты, которое требуется для того, чтобы расплавить единичную массу вещества, называется удельной теплотой плавления .

Обратный процесс перехода из жидкого состояния в твёрдое называется кристаллизацией. Процесс кристаллизации происходит при той же температуре, что и плавление и сопровождается выделением энергии в виде скрытой теплоты кристаллизации, равной по величине теплоте плавления.

Это ясно видно из графика зависимости темпе-ратуры охлаждающейся (на-гревающейся) жидкости от времени (рис. 3.2). Участок 1 кривой а даёт ход мо-нотонного понижения темпе-ратуры жидкости вследствие отвода тепла от неё. Горизонтальный участок 2 показывает, что при опре-делённом значении темпера-туры её понижение прекра-щается, несмотря на то, что отвод тепла продолжается. Через некоторое время температура опять начинает понижаться (участок 3). Температура, соответствую-щая участку 2, и есть температура кристаллизации. Выделяющееся при кристаллизации тепло компенсирует отвод тепла от вещества, и поэтому понижение температуры временно прекращается. После окончания процесса кристаллизации температура теперь уже твёрдого тела вновь начинает понижаться.

Такой ход графика понижения температуры характерен для кристаллических тел. При охлаждении аморфных веществ скрытая

теплота не выделяется, и график охлаждения представляет собой монотонную кривую без «остановки» охлаждения (участок 2).

При плавлении на кривой нагревания также наблюдается остановка в повышении температуры, вследствие поглощения скрытой теплоты плавления – теплоты, за счёт которойпроисходит разрушение кристаллической решетки (кривая б на рис. 3.2).

Процесс плавления будет квазистатическим, если плавление происходит в среде, температура которой на бесконечно малую величину превышает температуру плавления Т_пл. Поэтому можно считать, чтонеобходимая для плавления теплота сообщается телу при постоянной температуре Т_пл. В этом случае

.
Поглощенная телом в процессе плавления теплота Q равна произведению удельной теплоты плавления на массу расплавившегося тела m:

.

Таким образом, увеличение энтропии тела при квазистатическом плавлении равно:

. (3.15)

Если температура среды на бесконечно малую величину ниже температуры плавления, то возникает квазистатический процесс кристаллизации. При этом энтропия закристаллизовавшейся массы жидкости уменьшится настолько же, насколько увеличится энтропия при кристаллизации той же массы жидкости.

Изменение энтропии, отнесённое к единичной массе, называется её удельным приращением и определяется равенством

.
При плавлении удельное приращение энтропии равно: .

Рассмотрим процесс квазистатического нагревания вещества от температуры Т₁ до температуры Т₂. Если тело массы m поглощает тепло и при этом его температура повышается на , то

, (3.16)
где с – удельная теплоёмкость вещества.

Подставив (3.16) в (3.8) находим, что

. (3.17)

Приращение энтропии олова при его нагревании от комнатной температуры Т₀ до температуры плавления Т_пл и последующем плавлении:

. (3.18)

Для того, чтобы по формуле (18) рассчитать приращение энтропии олова необходимо знать его температуру плавления, которую в данной лабораторной работе предлагается определить экспериментально по кривой зависимости температуры Т от времени t в процессах нагревания, плавления и кристаллизации олова.