Цель работы

Исследовать фазовый переход первого рода на примере плавления и кристаллизации металла. Определить температуру, удельную теплоту плавления металла и изменение энтропии при плавление и кристалли­зации.

Приборы и принадлежности

Тигель с исследуемым металлом, термопара, нагреватель, термо­метр, цифровой вольтметр, секундомер.

Теоретическое введение

Сильное нагревание твердого тела может привести к разруше­нию его кристаллической решетки и к переходу вещества из твердой фазы в жидкую. Фазовое превращение, сопровождающееся поглощением или выделением количества теплоты и изменением удельного объема (объема, занимаемого единицей массы), называется фазовым перехо­дом первого роди. Плавление (переход вещества из твердого состоя­ния в жидкое) и обратный процесс (кристаллизация) для многих крис­таллических веществ является фазовым переходом первого рода. Такой переход всегда изотермичен. Во время фазового переходе сохраняет­ся .двухфазное состояние (например, жидкое и твердое), но плавно ме­няется соотношение масс каждой фазы. Температура перехода зависит от давления. Если при определенном давлении сообщать твердому телу за равные малые промежутки времени одинаковое количество тепла Q, то абсолютная температура тела будет изменяться в соответствии с графиком рис.5. Участок AB представляет собой нагревание твердого тела до температуры плавления Тn .

Для кристаллических тел в точке 6 прекращается дальнейшее повышение температуры. Изотермический участок ВС характеризует переход тела из твердого состояния в жидкое и соответствует одно­временному существованию двух фаз: твердой и жидкой. На участке BС при плавлении телом поглощается определенное количество теплоты при постоянной температуре. Это количество теплоты, рассчитанное на единицу массы тела, называется удельной теплотой плавления rп . Обозначим через UЖ и UТ внутренние анергии единицы массы ве­щества в точках С и B , соответствующих жидкой и твердой фазам и через Vж и VT - удельные объемы жидкости и твердого тела. Тогда по первому закону термодинамики удельная теплота плав­ления может быть выражена так:

где р - постоянное давление, при котором совершается фазовый переход.

Для фазовых переходов первого рода можно рассчитать изменение энтропии по формуле Клаузиуса

В данном случае

где т - масса тела. Знак "+" соответствует поглощению телом количества теплоты (плавлению), знак "-" - кристаллизации, кото­рая сопровождается выделением количества теплоты.

Процесс плавления представляет совой переход вещества из бо­лее упорядоченного кристаллического состояния в менее упорядочен­ное - жидкое. По второму закону термодинамики такой переход должен сопровождаться возрастанием энтропии вещества.

При охлаждении большинства жидкостей до некоторой температуры, зависящей от давления и состава жидкости, начинается процесс крис­таллизации - перехода вещества из жидкой фазы в твердую. Он связан с выделением теплоты, равной теплоте плавления, и для химически чистых жидкостей протекает при постоянной температуре, равной тем­пературе плавления.

Качественно процесс кристаллизации, как и процесс плавления, можно объяснить изменением характера теплового движения частиц вещества. Под влиянием сил взаимного притяжения между частицами их движение при охлаждении вещества в конце концов превращается в хаотические тепловые колебания около некоторых неизменных средних положений - узлов кристаллической решетки.

Зависимость температуры плавления твердых тел от давления показана на графике рис.6 (кривая плавления). Это кривая равновесия двухфазной системы твердое тело - жидкость, разделяю­щая друг от друга области существования твердой и жидкой фаз. Другой разновидностью фазового переходи первого рода является переход вещества из жидкой фазы в газообразную и обратно.