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:

c_w - ciepło właściwe wody,

T_k - 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 (m_k): 93,83 g = 0,0938 kg

Masa kalorymetru z wodą (m_kw): 270,93 g = 0,2709 kg

Masa wody (m_w): 177,1 g = 0,1771 kg

Temperatura początkowa (T_p): 296,05 K

Temperatura końcowa (T_k): 282,65 K

Masa kalorymetru z wodą i lodem (m_kwl): 304,94 g = 0,3049 kg

Masa lodu (m_l): 0,3049 - 0,2709 = 0,034 kg

OBLICZENIA:

∆S = 54,7692 + 4,8646 - 38,2019 = 21,4319

Obliczenie wartości niepewności:

---