ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ ПЛАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ

ПЛАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛА

Цель работы: определение удельной теплоты плавления металла (олово).

Принадлежности: электроплитка, тигль, образец из олова, термометр с высокотемпературной шкалой, секундомер, весы.

Теоретическая часть

Металл, нагретый до определенной температуры, начинает плавиться и переходит из твердой фазы в жидкую. При плавлении все тепло, подводимое к металлу, идет на разрушение кристаллической решетки. Поэтому, температура металла при плавлении остается постоянной. Она носит название температуры плавления (кристаллизации) металла. Например, для олова эта температура равна 232 ⁰С. Когда весь металл расплавится, его дальнейшее нагревание приводит лишь к росту температуры жидкого металла. При охлаждении расплавленного металла процесс происходит в обратном порядке (рисунок 1).

Рисунок 1

В момент времени t₁ при температуре T₁ металл находится в жидком состояний (точка А). На участке АВ происходит остывание расплавленного металла. В момент времени t₂ при температуре T₂ металл начинает кристаллизоваться (точка В). Кристаллизация заканчивается в момент времени t₃ при той же температуре T₂ (точка С). Температура T₂ - температура плавления (кристаллизации) металла. Участок СD соответствует охлаждению твердого металла до температуры T₃, которая достигается в момент времени t₄.

Плавление металла осуществляется в железном тигле. Пусть c₁ - теплоемкость жидкого металла, m₁ - масса металла, c₂ и m₂ - теплоемкость и масса тигля.

Количество теплоты Q₁, отдаваемое в среднем за единицу времени жидким металлом вместе с тиглем при остывании от температуры T₁ до температуры T₂, равно

. (1)

Количество теплоты Q₂, выделившееся при кристаллизации в среднем за единицу времени, составляет величину

, (2)

где q - удельная теплота плавления металла.

При дальнейшем остывании твердого металла от температуры T₂ до температуры T₃ в среднем за единицу времени будет отдано количество теплоты:

, (3)

где c₁' - удельная теплоемкость твердого металла.

Величину Q₂ можно приближенно представить как среднее арифметическое между Q₁ и Q₃:

. (4)

Подставляя значения Q₁, Q₂, Q₃ в формулу (4) и производя простейшие преобразования, получаем:

. (5)

Если промежутки времени остывания жидкого металла (t₂ - t₁), кристаллизации (t₃ - t₂) и остывания твердого металла (t₄ - t₃) выбрать равными, то формула (6) примет вид:

. (6)

Описание экспериментальной установки

Установка состоит (рисунок 2) из электроплитки, на которую помещается железный тигль Т_г с металлом (олово). Температура металла изменяется термометром Т, закрепленным на штативе.

Рисунок 2

Выполнение работы

1. Взвешивают образец из олова и железный тигль.

2. Устанавливают тигль с металлом на электроплитку и опускают конец термометра в тигль, обеспечивая плотное соприкосновение термометра с металлом.

3. Включают электроплитку и нагревают металл.

4. Когда термометр покажет 235 ⁰С, выключают электроплитку и следят за повышением температуры до тех пор, пока его показания не перестанут изменяться.

5. Потом записывают показания термометра, которые снимаются через каждые 10 с до температуры 100 ⁰С и строят график зависимости Т = f(t)

6. Отмечают на графике точки В и С, соответствующие началу (моменту времени t₂) и концу (моменту времени t₃) процесса кристаллизации. На промежутке времени между состояниями В и С показания термометра почти не изменяются. Эти показания и берут за температуру плавления металла T₂.

7. На графике влево и вправо от точек В и С откладывают отрезки, равные (t₃ - t₂) и построением находят точки А и D, равноудаленные, соответственно, от точек В и С. Определяют соответствующие этим состояниям температуры - T₁, T₃.

9. Вычисляют по формуле (6) величину q.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение температуры плавления (кристаллизации) металла.

2. Выведите формулу (6).

3. На что тратится тепло, сообщаемое металлу при плавлении?

4. Как изменится период времени (t₃ - t₂) с уменьшением температуры среды, окружающей тигль с металлом?