Лабораторная работа 2.02

Измерение температуры и теплоты плавления олова

Цель работы: Получение диаграммы нагревания и плавления (охлаждения и отвердевания) олова; определение температуры и теплоты плавления олова.

Принадлежности: тигель с исследуемым металлом (олово); термопара, потенциометр ПП-63; электронный самописец; регулятор напряжения цепи.

ТЕОРИЯ

Переход твердого вещества в жидкое (плавление) и обратный переход (кристаллизация) относятся к фазовым превращениям первого рода, при которых скачком изменяется плотность, внутренняя энергия, энтропия тела. При этом поглощается (при плавлении) или выделяется (при кристаллизации) энергия, называемая теплотой плавления (кристаллизации).

При заданном давлении прямое и обратное фазовые превращения происходят при строго определенной температуре, поэтому изобарный фазовый переход одновременно является изотермическим. Одним из возможных способов измерения температуры и теплоты плавления является получение диаграммы плавления (или отвердевания), т.е. кривой зависимости температуры расплавляемого (или отвердевающего) вещества от времени при неизменных внешних условиях. Для получения диаграмм сосуд (тигель) с исследуемым веществом помещают в печь и, нагревая его измеряют через определенные промежутки времени (или непрерывно с помощью самописца) температуру вещества в тигле.

В качестве термометра, находящегося в непосредственном контакте с исследуемым веществом используют термопару. Действие термопары основано на том, что в спае двух разнородных проводников возникает контактная термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), примерно пропорциональная температуре спая. Чаще всего приходится использовать не менее трех материалов: два – для электродов термопары и один – для обмотки измерительного прибора, что дает несколько спаев. Обычно используют схему, показанную на рис. 1. Так называемый «горячий» спай Т приводят в контакт с испытуемым телом. Оба «холодных спая должны находиться при одинаковой и известной температуре. ТЭДС для схемы рис.1 приблизительно пропорциональна разности температур Т и :

. (1)

Если холодные спаи держать при температуре льда , то ТЭДС пропорциональна температуре горячего спая Т по шкале Цельсия. Обычно для этого случая и приводят коэффициент или градуировку термопары в форме графика (таблицы). Если же холодные спаи имеют температуру , отличную от , измеренному значению ТЭДС соответствует разность температур .

В данной работе роль холодных спаев выполняют контакты проводов термопары с клеммами измерительного прибора (потенциометра), которые имеют комнатную температуру. Поэтому определение температуры сводится к следующему. Измерить комнатную температуру , Измерить ТЭДС Е. По измеренному значению ТЭДС и градуировочной таблице 1 определить и, прибавив , найти искомую температуру Т.

На рис. 2 качественно изображен процесс медленного остывания и кристаллизации металлической пробы, помещенной в тигель. При достаточно медленном остывании можно считать, что температуры Т пробы и тигля одинаковы во всех точках. Эти температуры отложены на рис. 2 по вертикальной оси. Если тепловая мощность, подводимая к образцу, может считаться постоянной, ось времени (горизонтальная на рис.2) является одновременно и осью «теплоты, отдаваемой образцом и тиглем».

Тепловая мощность N конечно не равна мощности нагревателя, т.к. часть теплоты отводится в окружающую среду. Левая и правая убывающие части кривой на рис. 2 изображают остывание расплава и тигля (слева) и остывание твердого образца и тигля (справа). Тепловая мощность на одном из этих участков равна изменению внутренней энергии системы в единичное время:

. (2)

Массы пробы металла т и тигля , а также их удельные теплоемкости с и , вблизи температуры плавления известны. Горизонтальный участок на рис.2 изображает процесс плавления металла. Ордината его – температура плавления, а приращение абсциссы – время фазового перехода . Здесь выполняется равенство