Номер №6, страница 455 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Лабораторные работы. Глава 10. Электростатика. Электродинамика - номер №6, страница 455.

Условие.

Лабораторная работа № 6

Определение температуры плавления олова

Цель работы: ознакомиться с особенностями зависимости температуры тела от времени в окрестности точки фазового перехода «твёрдое тело — жидкость».

Средства измерения и материалы: измерительный комплекс L-микро, плошка с оловом известной массы, термопара, газовая горелка (спиртовка).

Дополнительные сведения

Известно, что плавление и кристаллизация вещества в точке фазового перехода происходят при постоянной температуре до полного превращения вещества из одной фазы в другую. На экспериментальной кривой зависимости температуры олова от времени требуется найти области с постоянной температурой, идентифицировать их (плавление, кристаллизация) и определить температуру фазового перехода.

Порядок выполнения

1. Соберите экспериментальную установку. Расплавьте олово в плошке на газовой горелке (или спиртовке) и аккуратно вставьте в него измерительный конец термопары.

2. Остудите олово до температуры около $150\;{}^\circ \text{C}$.

3. Проведите измерение временного хода температуры при нагревании и охлаждении олова. Определите температуру плавления олова.

4. Найдите на зависимости области: а) связанные с перегревом олова при плавлении; б) связанные с переохлаждением при кристаллизации.

5. Сделайте выводы.

Решение.

Для выполнения заданий лабораторной работы необходимо построить график зависимости температуры олова от времени $T(t)$ на основе экспериментальных данных, полученных в ходе его нагревания и последующего охлаждения.

График нагревания будет состоять из трех участков:

1. Нагревание твердого олова (температура растет).
2. Плавление олова (температура остается постоянной). Этот участок называется плато плавления.
3. Нагревание жидкого олова (температура снова растет).

График охлаждения также будет состоять из трех участков:

1. Охлаждение жидкого олова (температура падает).
2. Кристаллизация олова (температура остается постоянной). Этот участок называется плато кристаллизации.
3. Охлаждение твердого олова (температура снова падает).

Анализ этих графиков позволяет ответить на вопросы лабораторной работы.

3. Проведите измерение временного хода температуры при нагревании и охлаждении олова. Определите температуру плавления олова.

Для определения температуры плавления олова необходимо проанализировать полученный график зависимости температуры от времени $T(t)$.

В процессе нагревания олова будет наблюдаться участок, на котором температура перестает расти, несмотря на продолжающийся подвод тепла. Этот горизонтальный участок на графике (плато) соответствует процессу плавления. Температура, при которой это происходит, является температурой плавления $T_{пл}$.

Аналогично, в процессе охлаждения расплавленного олова будет наблюдаться участок, на котором температура перестает падать и остается постоянной в течение некоторого времени. Это плато соответствует процессу кристаллизации. Для чистого вещества температура кристаллизации равна температуре плавления.

Чтобы определить значение температуры плавления, нужно найти на оси температур (ось Y) значение, соответствующее горизонтальным участкам на графиках нагревания и охлаждения. Для большей точности можно усреднить значения температур, полученные из обоих графиков. Табличное значение температуры плавления олова составляет примерно $232$ °C.

Ответ: Температура плавления олова определяется по значению температуры на горизонтальном участке (плато) графика зависимости $T(t)$, полученного при нагревании или охлаждении образца. Эта температура соответствует фазовому переходу вещества из твердого состояния в жидкое (плавление) или наоборот (кристаллизация).

4. Найдите на зависимости области: а) связанные с перегревом олова при плавлении; б) связанные с переохлаждением при кристаллизации.

а) связанные с перегревом олова при плавлении

Под "перегревом при плавлении" может подразумеваться либо нагрев твердого тела выше температуры плавления без начала самого процесса плавления (что является редким и нестабильным явлением), либо, что более вероятно в контексте данной работы, нагрев уже расплавленного олова до температур, превышающих температуру плавления. На графике нагревания эта область соответствует участку, который следует сразу за плато плавления. На этом участке все олово уже находится в жидком состоянии, и его температура продолжает расти при дальнейшем подводе тепла.

Ответ: Область, связанная с перегревом (нагревом жидкой фазы), на графике $T(t)$ — это восходящий участок кривой, следующий сразу после горизонтального плато плавления.

б) связанные с переохлаждением при кристаллизации

Переохлаждение — это явление, при котором вещество в жидком состоянии охлаждается ниже температуры кристаллизации, но не затвердевает. Это метастабильное состояние. На графике охлаждения олова переохлаждение проявляется как кратковременное падение температуры ниже уровня плато кристаллизации. После достижения минимальной температуры начинается быстрая кристаллизация, сопровождающаяся выделением тепла, из-за чего температура образца резко возрастает до температуры кристаллизации и далее остается постоянной до полного затвердевания. Таким образом, на графике область переохлаждения — это характерный "зубец" или "впадина" непосредственно перед началом горизонтального плато кристаллизации.

Ответ: Область, связанная с переохлаждением, на графике охлаждения $T(t)$ представляет собой участок, где температура опускается ниже температуры кристаллизации, а затем резко поднимается до нее. Этот участок находится непосредственно перед плато кристаллизации.

5. Сделайте выводы.

В ходе выполнения лабораторной работы были изучены процессы плавления и кристаллизации олова. На основе экспериментально полученной зависимости температуры от времени $T(t)$ были сделаны следующие выводы:

1. Плавление и кристаллизация кристаллического вещества (олова) происходят при постоянной температуре. На графике $T(t)$ это подтверждается наличием горизонтальных участков (плато) как при нагревании, так и при охлаждении.
2. Экспериментально определенная температура плавления олова составляет (здесь следует указать значение, полученное из графика, например, $T_{эксп} \approx 232$ °C). Это значение хорошо согласуется с табличным значением ($T_{табл} \approx 231,93$ °C). Возможные расхождения могут быть вызваны погрешностями измерений термопары, неравномерностью нагрева или наличием примесей в образце.
3. При охлаждении жидкого олова наблюдалось явление переохлаждения, когда вещество оставалось в жидком состоянии при температуре ниже точки кристаллизации. Это подтверждает, что для начала процесса кристаллизации требуются центры кристаллизации.

Ответ: Экспериментально подтверждено, что плавление и кристаллизация олова являются фазовыми переходами, происходящими при постоянной температуре. Определена температура плавления олова и зафиксировано явление переохлаждения в процессе кристаллизации, что соответствует теоретическим представлениям о фазовых переходах первого рода.