Зміна ентропії в реальних системах

Лабораторна робота з фізики 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: E + >

функції процесу dE — функції стану.

1. 1.Ізотермічний процес Т = const.

А = RT ln $$\frac{V_2}{V_1}$$ А = RT ln $$\frac{P_1}{P_2}$$.

А = $$\frac{m}{м}$$ RT ln $$\frac{V_2}{V_1}$$ А = $$\frac{m}{м}$$ RT ln $$\frac{P_1}{P_2}$$.

1. 2.Ізохорний процес V = const.

А=0.

1. 3.Ізобарний процес Р = const.

А = $$(V_2-V_1)$$ А = $$R(T_2-T_1)$$.

А = $$\frac{m}{м}$$ $$(V_2-V_1)$$ А = $$\frac{m}{м}$$ $$R(T_2-T_1)$$.

4.Адіабатичний процес.

А = $$\frac{R(T_1-T_2)}{-1}$$ $$=\frac{C_p}{C_v}$$.

Сукупність змін стану тіла у результаті яких стан відновлюється називається циклом.

Цикл Ларно — це цикл, який складається з двох ізотерм і двох дедіабат.

АВ — ізометричне розширення.

А1 = $${\text{RT}}_0$$ ln $$\frac{V_1}{V_2}$$ =Q0.

DC — адіабатичне розширення.

А1+Ао = $${\text{RT}}_0$$ ln $$\frac{V_1}{V_2}$$ + $$\frac{R(T_1-T_2)}{-1}$$.

СD — ізотермічний стиск.

А3 = $${\text{RT}}_0$$ ln $$\frac{V_1}{V_2}$$ =Q.

$$$$ А — адіабатичний стиск.

А4 = $$\frac{R(T_1-T_2)}{-1}$$.

А = А1+ А2+А3+ А4= $${\text{RT}}_0$$ ln $$\frac{V_1}{V_0}$$ + $$\frac{R(T_1-T_2)}{-1}$$ — $${\text{RT}}_0$$ ln $$\frac{V_3}{V_2}$$ + $$\frac{R(T_1-T_0)}{-1}$$.

$$\frac{V_1}{V_0}$$ = $$\frac{V_3}{V_2}$$ =2, то, а = $$R(T_0-T_1)\text{ln}2$$ $$T_0{T}_1$$ А>0.

Коефіцієнт корисної дії в циклі Корно: $$=\frac{Q_o-Q_1}{Q_o}=\frac{T_o-T_1}{T_o}=1-\frac{T_1}{T_o}$$ 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.

$$\frac{Q}{T}$$ — приведена теплота.

S = $$\frac{\mathit{}}{T}$$ — ентропія.

dS = $$\frac{\mathit{}}{T}$$ Оскільки $$\mathit{}=\text{dU}+\mathit{}$$, то $$T\text{dS}=\text{Du}+\mathit{}$$ — 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.

1. 1.Поняття про оборотні і необоротні процеси,.

2. 2.І закон термодинаміки.

3. 3.Робота термодинамічної системи при різних процесах.

4. 4.ІІ закон термодинаміки.

5. 5.Цикл Карно:

6. 6.Поняття про ентропію.

7. 7.Пояснити метод експериментальних досліджень.

Порядок виконання роботи.

1. 1.Включають нагрівач попередньо помістивши у нього досліджуване тіло.

2. 2.Поки тіло нагрівається, наповнюють водою водомірну склянку (100 см3) і виливають її у посудину колориметра.

3. 3.Калориметр поміщають на відстані від нагрівача і відмічають температуру води.

4. 4.Після того, як закипить вода у нагрівачі, чекають не менше 3 хвилини, після чого за допомогою гачка тіло поміщають у калориметр.

5. 5.Після виконання операції 4 слідкують за зростанням температури.

6. 6.Фіксують максимальне значення температури.

7. 7.Операції, перераховані у пунктах 1−6 повторюють для тіл з різними масами.

8. 8.Будують графік затяжності $$$$ S від mт і ст.

Параметри фіз. величин, які даються у лабораторній роботі.

Маси тіл з латуні:

m1 = 65,1×10−3 кг.

m2 = 126,3×10−3 кг.

m3 = 160,0×10−3 кг Маса тіл з латуні: mл = 30,4×10−3 кг Алюмінію: mа = 30,75×10−3 кг Заліза: m3 = 30,8×10−3 кг.

Теплоємність води: св =4,187×103 $$\frac{\text{Дж}}{\text{кг}К}$$.

Латуні: сл =384 $$\frac{\text{Дж}}{\text{кг}К}$$.

Заліза: с3 =498 $$\frac{\text{Дж}}{\text{кг}К}$$.

Алюмінію: са =879 $$\frac{\text{Дж}}{\text{кг}К}$$.

1. 1.При визначенні зміни ентропії для тіл з однаковою теплоємністю води в калоримети наливають по 150 мл.

2. 2.Дні тіл приблизно однакової маси — по 100 мл.

Маса калориметрів: mк1 = 48,15×10−3 кг.

mк2 = 49,85×10−3 кг.

mк3 = 48,85×10−3 кг Робоча формула:

$$$$ S = (mкск + mвсв) ln $$\frac{T}{\text{To}}$$ + mтст ln $$\frac{T}{T_1}$$.

Хід роботи.

Залежність $$$$ S від mт.

Залежність $$$$ S від ст.

Залежність зміни ентропії від маси тіла:

1) $$$$ S1 = (mкск + mвсв) ln $$\frac{T}{\text{To}}$$ + mтст ln $$\frac{T}{T_1}$$.

$$$$ S1 = (48,15×10−3×879 +0,1×4,187×10−3) ln $$\frac{\text{296}}{\text{291}\mathrm{,\; 5}}$$ + 65,1×10−3×384 ln $$\frac{\text{296}}{\text{373}}\mathrm{1,}\text{28}(\frac{\text{Дж}}{К})$$.

2) $$$$ S2 = (49,85×10−3×879 +0,1×4,187×10−3) ln $$\frac{\text{297}\mathrm{,\; 5}}{\text{291}\mathrm{,\; 5}}$$ + 126,3×10−3×384 ln $$\frac{\text{297}\mathrm{,\; 5}}{\text{373}}\mathrm{1,}\text{55}(\frac{\text{Дж}}{К})$$.

3) $$$$ S3 = (48,85×10−3×879 +0,1×4,187×10−3) ln $$\frac{\text{300}}{\text{291}\mathrm{,\; 5}}$$ + 160×10−3×384 ln $$\frac{\text{300}}{\text{373}}\mathrm{0,}\text{11}(\frac{\text{Дж}}{К})$$.

1. 3.Залежність зміни ентропії від теплоємності тіла:

1) $$$$ S1 = (48,15×10−3×879 +0,1×4,187×10−3) ln $$\frac{\text{294}}{\text{292}}$$ + 30,4×10−3×384 ln $$\frac{\text{294}}{\text{373}}\mathrm{0,}\text{37}(\frac{\text{Дж}}{К})$$.

2) $$$$ S2 = (49,85×10−3×879 +0,1×4,187×10−3) ln $$\frac{\text{254}\mathrm{,\; 5}}{\text{292}}$$ + 30,8×10−3×498 ln $$\frac{\text{294}\mathrm{,\; 5}}{\text{373}}\mathrm{0,}\text{32}(\frac{\text{Дж}}{К})$$.

3) $$$$ S3 = (48,85×10−3×879 +0,1×4,187×10−3) ln $$\frac{\text{297}}{\text{292}}$$ + 30,75×10−3×879 ln $$\frac{\text{297}}{\text{373}}\mathrm{1,7}(\frac{\text{Дж}}{К})$$.

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.

$$$$ S12 = $$\frac{a}{T}=\underset{T_1}{\overset{T_2}{}}\frac{\text{medT}}{T}=\text{ma}\text{ln}\frac{T_2}{T_1}$$.

Внаслідок адитивності ентропії $$$$ S = $$\underset{i=1}{\overset{n}{}}{S}_1$$.

$$$$ S — зміна ентропії системи msn, $$$$ 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.

$$$$ S1 = mтст ln $$\frac{T}{T_1}$$ — тіло.

$$$$ S2 = mкск ln $$\frac{T}{T_0}$$ — калориметр

$$$$ S3 = mвсв ln $$\frac{T}{T_1}$$ — вода.

Зміна ентропії всієї системи:

$$$$ S1 = (mкск + mвсв) ln $$\frac{T}{\text{To}}$$ + mтст ln $$\frac{T}{T_1}$$.

У роботі пропонується розрахувати зміну ентропії декількох тіл при зануренні їх у воду.