ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z FIZYKI
S P R A W O Z D A N I E
Temat: Wyznaczanie zmiany entropii układu.
para nr 8, ćwiczenie nr 22a
Towaroznawstwo
Grupa 14
Entropia jest funkcją termodynamiczną opisującą przemiany termodynamiczne. Entropię S układu można zdefiniować następująco:
gdzie:
- ilość ciepła przekazana
- temperatura, w której ciepło jest przekazywane
- ciepło zredukowane
Wartość liczbowa energii jest określona z dokładnością do pewnej stałej, stąd wniosek, że wielkością, której wartość można jednoznacznie określić, będzie zmiana entropii ∆S podczas przejścia układu z jednego stanu skupienia do drugiego. Jeżeli w układzie zachodzą przemiany, w wyniku których układ przechodzi ze stanu początkowego I do stanu końcowego II, to zmiana entropii układu wyraża się wzorem:
Entropia jest termodynamiczną funkcją stanu, tzn., że wartość entropii w stanie końcowym zależy tylko od parametrów stanu w stanie początkowym i końcowym, a nie zależy od wartości parametrów w stanach pośrednich, w których układ znajdował się w czasie przemiany. Podczas przemian odwracalnych zachodzących w układach izolowanych entropia układu się nie zmienia.
S1 = S2, ∆S = 0
Jeżeli natomiast w układzie izolowanym zachodzą procesy nieodwracalne, z którymi mamy do czynienia w przyrodzie, entropia rośnie.
S2 > S1, ∆S > 0
Na podstawie tych prawidłowości można sformować drugą zasadę termodynamiki:
Podczas przebiegu procesów zachodzących w zamkniętym i adiabatycznie izolowanym układzie makroskopowym entropia nie może ulec zmniejszeniu.
∆S ≥ 0
Jest to tzw. zasada niemalenia entropii. Jeżeli rozpatrywany układ składa się z n ciał, to entropia części składowych może zarówno wzrastać, jak i maleć, natomiast zmiana entropii całego układu izolowanego, która równa się sumie algebraicznej zmian entropii poszczególnych części układu, nie może być ujemna.
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie zmiany entropii układu, w którym zachodzi topnienie lodu wprowadzonego do wody znajdującej się w kalorymetrze. Jest to układ izolowany, w którym zachodzi topnienie lodu kosztem ciepła pobranego od wody i wewnętrznego naczynia kalorymetru. Lód o temp. topnienia T0 wprowadzony do wody w kalorymetrze topi się. Ciepło Q1 potrzebne do stopienia lodu wynosi:
gdzie:
m1 - masa lodu,
λ - ciepło topnienia lodu.
zatem zmiana entropii ∆S1 w procesie przejścia fazowego lodu jest równa:
Woda powstała z lodu pobiera od układu ciepło Q2, równe:
gdzie:
cw - ciepło właściwe wody,
Tk - temp. końcowa układu,
T0 - temp. początkowa wody powstałej z lodu
Zmiana entropii w tym procesie jest równa:
Ciepło oddane przez wodę i kalorymetr wynosi:
a zmiana entropii:
Całkowita zmiana entropii ∆S układu jest sumą poszczególnych zmian entropii procesów zachodzących w tym układzie:
∆S = ∆S1 + ∆S2 + ∆S3
OBLICZENIA I POMIARY:
mk |
mkw |
mw |
tp, Tp |
tk, Tk |
mkwl |
ml |
∆S1 |
∆S2 |
∆S3 |
∆S |
kg |
kg |
kg |
°C, K |
°C, K |
kg |
kg |
|
|
|
|
0,0938 |
0,2709 |
0,1771 |
22,9 °C 296,05 K |
9,5 °C 282,65 K |
0,3049 |
0,034 |
54,7692 |
4,8646 |
-38,2019 |
21,4319 |
Bilans cieplny: Q1 + Q2 = Q3 + Q4
stąd:
gdzie:
λ - ciepło topnienia lodu
c1 - ciepło właściwe wody
c2 - ciepło właściwe materiału kalorymertu
m1 - masa wody w kalorymatrze
m2 - masa kalorymetru
m3 - masa lodu
t1 - temp. początkowa wody w kalorymatrze
t2 - temp. końcowa układu
t0 - temp. topnienia lodu (0°C lub 273,15 K przy ciśnieniu normalnym, tj. 1013,25 hPa)
Zmiana entropii lodu w procesie topnienia:
Zmiana entropii wody powstałej ze stopionego lodu:
Zmiana entropii kalorymetru z wodą:
Całkowita zmiana entropii ∆S = ∆S1 + ∆S2 + ∆S3
Dane uzupełniające:
gdzie
POMIARY:
Masa kalorymetru (mk): 93,83 g = 0,0938 kg
Masa kalorymetru z wodą (mkw): 270,93 g = 0,2709 kg
Masa wody (mw): 177,1 g = 0,1771 kg
Temperatura początkowa (Tp): 296,05 K
Temperatura końcowa (Tk): 282,65 K
Masa kalorymetru z wodą i lodem (mkwl): 304,94 g = 0,3049 kg
Masa lodu (ml): 0,3049 - 0,2709 = 0,034 kg
OBLICZENIA:
∆S = 54,7692 + 4,8646 - 38,2019 = 21,4319
Obliczenie wartości niepewności: