Плавления парафина

Цель работы

Исследовать зависимость температуры расплавленного парафина от времени в условиях постоянной теплоотдачи и опреде­ление удельной теплоемкости жидкого парафина и удельной теплоты плавления парафина.

Общие положения

При передаче твердому телу некоторого количества теплоты происходит увеличение амплитуда колебаний атомов или молекул в узлах кристаллической решетка, температура кристалла повышается достижении температуры плавления передача телу теплоты не сопровождается повышением температура до тех. пор, пока все те­ло не расплавится. В процессе плавлении твердого тела кинетическая энергия хаотического теплового движения атомов или молекул не меняется. Количество теплоты, получаемое твердым телом при плавлении, расходуется на увеличение потенциальной энергии частиц. После расплавления всего кристалла происходит дальнейшее повышение температуры.

При охлаждении расплава до температуры кристаллизации за счет уменьшения потенциальной энергии взаимодействия частиц внешней среде отдается такое количество тепла, какое было noлучено в процессе плавления. При этом кинетическая энергия атомов или молекул не изменяется, температура твердого тела остаётся постоянной до завершения кристаллизации всего расплава.

При постоянной мощности теплопередачи кривая зависимости температуры от времени нагревания кристалла или от времени охлаждения расплава должна иметь вид ломаной с горизонтальным участком в области температуры плавления или температуры кристаллизации. Располагая такой кривой, можно определить удельную теплоемкость и удельную теплоту плавления вещества.

Если известна мощность Р теплопередачи, то удельная теплоемкость С вещества связана с изменением DТ, его температура за время Dt₁ выражением

Q₁ = pDt₁ = m₁c₁DT. Из уравнения следует .

Удельную теплоту плавления l можно найти по известной мощ­ности р теплопередачи и времени плавления льда, в течение кото­рого температура вещества остается неизменной.

Q₂ = pDt₂ = lm_1. Из уравнения следует

Осуществить теплопередачу от нагревателя к последующему ве­ществу с постоянной и достаточно точно известной мощностью до­вольно трудно. Значительно проще обеспечить процесс теплопереда­чи с постоянной мощностью р от нагретого исследуемого вещества в окружающее пространство. Для этого достаточно расплавить ис­следуемое вещество и предоставить ему возможность остывать при неизменных внешних условиях. Теплопередача нагретого вещества окружающим телам зависит в первую очередь от разности темпера­тур. При небольших изменениях разности температур мощность теплопередачи от нагретого тела окружающим телам можно считать постоянной.

Упрощенный вид кривой зависимости температуры вещества от времени при охлаждении расплавленного кристаллического тела представлен на рисунке. По такой кривой можно определить значе­ния изменения температуры DТ, и времени Dt₁ для нахождения удельной теплоемкости вещества в жидком состоянии и времени Dt₂ кристаллизации для вычисления удельной теплоты кристалли­зации вещества, равной удельной теплоте плавления.

Мощность теплопередачи от нагретого тела с неизвестными тепловыми параметрами можно узнать, исследовав зависимость температуры от времени для тела массой m₂ такой же формы и размеров в тех же условиях из вещества с известной удельной теплоем­костью с₂.

Проведение эксперимента и обработка результатов

I. Взвесьте пластмассовый сосуд, налейте в него воду, нагретую до 60°С. Укрепите в штативе термометр таким образом, чтобы его конец находился на половине глубины жидкости в сосуде.

2. Запустите секундомер и снимите показание термометра. Да­лее записывайте показания термометра через одну минуту до тех пор, пока температура вода не снизится до 45°С.

3. Взвесьте сосуд с водой, найдите массу m₂ воды.

4. Вылейте воду из сосуда и налейте в него расплавленный парафин при температуре 60°С до того же уровня, до какого бы­ла налита вода. Укрепите термометр в штативе таким образом, что­бы его конец находился на половине глубины жидкого парафина в сосуде.

5. Запустите секундомер и снимите показания термометра. Далее записывайте показания термометра через одну минуту до тех пор, пока температура парафина не снизится до 45°С.

6. Взвесьте сосуд с парафином и найдите массу m₁ парафина.

7.Постройте график зависимости температуры от времени для воды.

По графику зависимости температуры воды от времени найди­те длительность интервала времени Dt₃ при изменении температу­ры воды DT₂ = 10°С от 55°С до 45°С. По найденным значениям DT₂, Dt₃, m₂ и известной удельной теплоемкости с₂ воды вычислите мощность Р теплопередачи при остывании.

8. Постройте график зависимости температуры от времени для парафина. Определите по графику значения времени Dt₁ остыва­ния жидкого парафина, изменения температуры DТ₁ до затвердева­ния парафина. По найденным значениям Dt₁, DT₁ и известным значениям m₁ и Р вычислите удельную теплоемкость жидкого пара­фина С₁.

9. Определите по графику зависимости температуры парафина от времени продолжительность времени Dt₂ его затвердевания. По найденному значению времени Dt₂. и известным значениям m₁, и Р вычислите удельную теплоту l кристаллизации (плавления) парафина.

Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу.

Контрольные вопросы

1. Почему в опыте по определению удельной теплоты плавления парафина целесообразнее осуществить процесс кристаллизации, а не плавления?

2. Какими соображениями можно руководствоваться при выборе размеров сосуда для проведения опыта?

3. Докажите, что предположение о постоянной мощности теп­лопередачи в данном эксперименте близко к истине.