Методика изучения энтропии при процессах нагрева вещества

Введение

Глава 1. Основные аспекты организации и проведения лабораторных работ

Список литературы

Введение

Целью лабораторных занятий является обучение, воспитание и развитие компетентной личности, способной вести самостоятельный поиск информации, выбирать методы и способы выполнения поставленных задач, оценивать их эффективность и качество, применять полученные знания в практической деятельности.

У обучающихся формируются практические умения и навыки обращения с различными приборами, установками, лабораторным оборудованием, аппаратурой, которые могут составлять часть профессиональной практической подготовки, а также исследовательские умения (наблюдать, сравнивать, анализировать, устанавливать зависимости, делать выводы и обобщения, самостоятельно вести исследование, оформлять результаты).

Таким образом лабораторные работы помогают не только углубить знания в конкретной области, но и развивают личностные качества и умения обучающегося. Также нельзя не сказать о том, что лабораторные работы помогают преодолеть разрыв между теорией и практикой.

Цель: Разработать экспериментальную установку для исследования изменения энтропии в изолированной системе.

Задачи:

1. Изучить основные аспекты организации и проведения лабораторных работ по физике.

2. Подготовить оборудование к лабораторной работе.

3. Провести эксперимент и анализ его результатов.

Объект: Лабораторная работа по исследованию изменения энтропии в изолированной системе.

Предмет: Методика проведения лабораторной работы.

Глава 1. Основные аспекты организации и проведения лабораторных работ

Под лабораторными работами понимают такую организацию учебного физического эксперимента, при которой каждый учащийся работает с приборами или установками.

Дидактическая роль лабораторных работ велика. Восприятия при выполнении лабораторных работ основаны на большем разнообразии чувственных впечатлений и уровне вовлечённости по сравнению с восприятиями при наблюдении демонстрационного эксперимента. При выполнении лабораторных работ обучающиеся учатся пользоваться физическими приборами как орудиями экспериментального познания, приобретают навыки практического характера. В некоторых случаях научная трактовка понятия становится возможной лишь после непосредственного ознакомления учащихся с явлениями, что требует воссоздания опытов самими учащимися, в том числе и во время выполнения лабораторных работ. Выполнение лабораторных работ способствует углублению знаний обучающихся по определенному разделу физики, приобретению новых знаний, ознакомлению с современной экспериментальной техникой, развитию логического мышления.

Лабораторные работы имеют также важное воспитательное значение, поскольку они дисциплинируют учащихся, приучают их к самостоятельной работе, прививают навыки лабораторной культуры [1].

1.1 Классификация лабораторных работ

Лабораторные работы по физике классифицируются по различным признакам:

Ш Содержание:

-по механике, молекулярной физике, электродинамике, оптике и др.;

Ш Методы выполнения и обработки результатов:

- наблюдение, качественные опыты, измерительные работы, количественные исследования функциональных зависимостей величин;

Ш Мера самостоятельности учеников во время выполнения:

- проверочные, эвристические, творческие;

Ш Дидактическая цель:

- изучение нового, повторение, закрепление, наблюдение и изучение физических явлений, ознакомление с физическими приборами и измерение физических величин, ознакомление со строением и принципом действия физических приборов и технических установок, выявление или проверка количественных закономерностей, определение физических констант;

Ш Организационные признаки:

- фронтальные лабораторные работы, физические практикумы, домашний эксперимент.

Последняя классификация самая общая и распространенная. Она дает возможность рассматривать эксперимент с точки зрения методов учебы, правильно определять место каждого эксперимента в системе учебных занятий по физике, рационально подбирать учебное оборудование [1].

Фронтальные лабораторные работы - это такие занятия, в которых ученики сами воспроизводят и наблюдают физические явления или проводят измерение физических величин, пользуясь при этом специальным (лабораторным) оборудованием. Слово "фронтальный" означает, что в данном случае все ученики класса проводят одинаковый эксперимент, пользуясь при этом одинаковым оборудованием. Если длительность фронтальных лабораторных работ не превышает 10-15 минут, то их часто называют фронтальными опытами. Фронтальные лабораторные работы проводятся во время изучения соответствующего материала.

Физическим практикумом называют такую форму проведения лабораторных работ, при которой все звенья или группы звеньев учеников получают разные задания усложненного содержания. Практикум проводится после изучения определенного раздела курса физики или чаще всего в конце учебного года. Его задания охватывают большие темы курса и требуют для своего выполнения сложной физической аппаратуры и экспериментальных установок.

Домашний эксперимент - лабораторные работы, которые выполняются учащимися дома по заданию учителя. При этом ученики пользуются предметами домашнего обихода или самостоятельно изготовленными самыми простыми приборами.

1.2 Методы выполнения лабораторных работ

Лабораторные работы могут быть выполнены одним из методов: репродуктивным, частично-поисковым (эвристическим) или исследовательским.

Репродуктивный метод выполнения лабораторной работы заключается в том, что в данном случае не предусматривается самостоятельное получение новых знаний, а лишь подтверждаются уже известные факты и истины или иллюстрируются теоретически установленные утверждения.

Выполнение лабораторных работ репродуктивным методом предусматривает проведение актуализации знаний учеников, повторение способа измерения необходимых физических величин, выяснения принципиальной схемы установки. После этого учащимся предлагается собрать схему установки, провести измерение, обработать результаты опыта и сделать соответствующие выводы.

Данный метод выполнения лабораторных работ является самым распространенным в практике обучения физики, но он имеет существенные недостатки: он рассчитан на воспроизводящую деятельность учеников и требует от них действий по образцу.

Частично-поисковый метод заключается в том, что учитель, систематически давая последовательные указания, руководит практическими действиями учеников, а затем своими вопросами направляет их умственную деятельность на анализ полученных из опытов результатов и на формулировку нового, раньше неизвестного им закона или факта. Этот метод позволяет органически включать в изложение нового материала лабораторный эксперимент как источник новых знаний, добытых учащимся в результате своих наблюдений на самостоятельно собранной установке.

Частично-поисковым методом целесообразно пользоваться в тех случаях, когда все действия, которые должны выполнить обучающиеся, уже усвоенные или выполняются легко. Данный метод может использоваться в работах, посвященных либо наблюдению явлений, либо установлению функциональных зависимостей между определенными физическими величинами.

При исследовательском методе выполнения ученики получают только задание, а пути его выполнения они отыскивают сами и самостоятельно проводят все этапы исследования - собирают установку, проводят измерение, обрабатывают результаты и т. д.

Исследовательский метод в чистом виде может быть использован лишь в индивидуальной работе с сильными учащимися. Но элементам этого метода необходимо учить всех обучающихся. Для этого в канун выполнения лабораторной работы целесообразно предложить учащимся продумать возможные способы непрямого измерения какой-либо величины, самим указать необходимые приборы и способы проведения измерений. Предложения учащихся обсуждаются в группе и производится единственный подход к выполнению работы. Вся последующая работа выполняется обучающимися полностью самостоятельно. Роль учителя заключается лишь в контроле за действиями учащихся.

Использование информационных технологий.

Широкие возможности при выполнении лабораторного эксперимента дает использование компьютерной техники на разных этапах этой работы. Использование компьютера позволяет графически задать какую-нибудь математическую функцию (зависимость между определенными физическими величинами), моделировать физические процессы, сложные физические и технологические установки, рассматривать физические процессы в динамике. Применение аналого-цифровых преобразователей дает возможность использовать компьютер во время выполнения лабораторных работ для измерения физических величин и графической интерпретации протекания физических процессов. Применение электронно-вычислительной техники во время обработки результатов эксперимента позволяет избежать больших затрат учебного времени на выполнение однообразных вычислений и увеличить частицу творческой работы учащихся [1].

1.3 Организация и проведение лабораторных работ

Основная цель лабораторных работ - уяснить сущность изучаемого явления или закона, процесса или зависимости, принципа действия прибора или метода измерения физической величины. Кроме того, на занятиях приобретаются элементарные навыки экспериментирования: умение организовать свое рабочее место, собирать установки, наблюдать, выполнять измерения с помощью приборов, производить элементарные расчеты, оформлять аналитически и графически результаты опыта, делать выводы. Лабораторные работы, в основном, проводятся сразу после изучения того или иного явления или закона [2].

Этапы лабораторной работы

В проводимых лабораторных работах можно выделить следующие этапы:

  Предварительная подготовка.

  Вступительная беседа.

  Конкретизация хода работы.

  Экспериментальная часть.

  Итоговая часть.

Предварительная подготовка к лабораторной работе

Успех выполнения лабораторной работы зависит от четкой организации учителем учебной деятельности учеников.В начале изучения темы учитель сообщает ориентировочную дату проведения лабораторной работы и ее тему.

На уроке, что предшествует лабораторной работе, обязательно обсуждаются с учениками цель, последовательность действий, правила техники безопасности. Во время такого обсуждения актуализируются опорные теоретические знания, общие и специальные умения, необходимые для выполнения лабораторной работы. К сведению учеников приводится основное физическое содержание работы, а также перечень основных теоретических вопросов и заданий к ней.

Предварительная подготовка к работе до урока включает в себя расстановку оборудования на столах учащихся, раздача инструкций по выполнению работы и тетрадей для лабораторных работ, выполнение некоторых записей на доске (номер и тема лабораторной работы, перечень оборудования, если нужно чертежи) [2].

Оборудование для лабораторных работ хранится в лаборантской комплектами однотипных приборы. Инструкций по выполнению работ и тетради для лабораторных работ также хранятся в лаборантской комнате.

Вступительная беседа

В процессе вступительной беседы воспроизводятся знания учащихся по изученному вопросу; определяется задача работы; выясняются величины, подлежащие измерению, особенности наблюдений и измерений; раскрываются приемы измерений и характеристики приборов; устанавливается порядок выполнения измерений и наблюдений (ход работы) и форма записи. Во время беседы учитель на доске делает необходимые записи (если нужно, выполняет демонстрационные опыты).

Также напоминается инструктаж по технике безопасности.

Инструкция по технике безопасности.

Общие требования безопасности:

1. Перед началом выполнения лабораторных работ по физике преподаватель проводит инструктаж по технике безопасности.

2. Студенты допускаются к выполнению лабораторных работ по физике при личной записи об ознакомлении и росписи в "Журнале по технике безопасности".

3. В случае появления дыма, специфического запаха горелой изоляции, студент должен выключить установку и немедленно сообщить о произошедшем преподавателю.

Основные правила техники безопасности:

1. Не держите на рабочем месте предметы, не требующиеся при выполнении задания.

2. Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описания, уясните ход её выполнения.

3. Произведите сборку электрических цепей, переключения в них, монтаж и ремонт электрических устройств только при отключении источника питания. Запрещается подключать к электрической сети 220В приборы и оборудование без разрешения преподавателя.

4. Следите, чтобы изоляция проводов была исправна, а на концах проводов были наконечники.

5. При сборке электрической цепи провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно зажимайте клеммами.

6. Выполняйте наблюдения и измерения, соблюдая осторожность, чтобы случайно не прикоснуться к оголённым проводам (токоведущим частям, находящимся под напряжением).

7. По окончании работы отключите источник электропитания, после чего разберите электрическую цепь.

8. Обнаружив неисправность в электрических устройствах, находящихся под напряжением, немедленно отключите источник электропитания и сообщите об этом преподавателю.

Конкретизация хода работы

Ученики просматривают ход работы и при необходимости задают вопросы.

Экспериментальная часть

Ученики формируют группы по 2-4 человека. Собирают экспериментальные установки. После проверки правильности сборки учителем, выполняют опыты, наблюдения, измерения. Во время занятия учитель обходит лабораторные столы, наблюдая за работой учеников. Следит, чтобы каждый член группы был активен. Активность достигается распределением работы: одну часть установки собирает один ученик, другую - другой; проведение измерений также делится между учениками. В случае необходимости учитель помогает советом или вопросом [3].

Поскольку не все ученики в равной степени владеют умением выполнять лабораторную работу, то некоторые успевают сравнительно быстро проделать опыты и измерения. Таким ученикам учитель либо предлагает сделать повторные наблюдения и измерения, либо дает экспериментальную задачу, которую можно решить, пользуясь оборудованием данной работы.

Итоговая часть

Итоговая часть включает в себя проведение вычислений результатов опыта, анализ и оценку полученных величин, вычисление абсолютной и относительной погрешностей измерений и вычислений. Получив необходимые экспериментальные данные, ученики составляют отчет. Ученики оформляют полученные результаты лабораторной работы в тетради для лабораторных работ, строится график (при необходимости) и этот график анализируется.

Ученики формулирует вывод, который должен соответствовать цели работы и включать в себя анализ результатов лабораторной работы.

Завершают оформление работы ответы на контрольные вопросы, составленные в соответствии с темой работы. Контрольные вопросы являются как теоретическими, так и качественными задачами. Ответы на них позволяют оценить усвоение учениками теоретического материала по данной теме.

Цель заключительной беседы - подвести итоги проделанной работы, провести анализ результатов работы.

Домашнее задание является повторением теоретического материала и решение задач по данной теме.

Требования к оформлению письменного отчета

Письменные отчеты ученики выполняют в тетрадях для лабораторных работ. Перед проведением лабораторной работы учитель напоминает ученикам об основных требованиях к оформлению письменного отчета: последовательность, форма, единый орфографический режим.

Письменный отчет выполняется в такой последовательности:

  Дата выполнения.

  Номер лабораторной работы.

  Тема.

  Цель.

  Оборудование.

  Краткие теоретические сведения.

  Описание хода работы.

  Вычисления, таблица результатов измерений и вычислений, графики (при необходимости).

  Вывод.

  Ответы на контрольные вопросы.

Теоретический материал, схемы, рисунки должны быть представлены в отчете в объеме, необходимом для осмысленного выполнения лабораторной работы. Рисунки и схемы выполняются с применением чертежных принадлежностей.

Полученные в опыте значения измеряемой величины заносятся, как правило, в таблицу либо представляются в виде графика. Представление результатов измерений в виде графиков необходимо для наглядности и определения ряда величин. Масштаб выбирается таким, чтобы, во-первых, экспериментальные точки не сливались, во-вторых, обозначался простыми числами (10, 100, 0,1 и т.д. единиц соответствовали 1 см), в-третьих, занимал размеры около страницы. По осям откладываются деления и указываются символы величин и их единицы измерения [3].

Все записи делаются после выполнения экспериментальной части (или во время выполнения) непосредственно в тетрадях.

Оценивание лабораторных работ

Лабораторная работа должна быть полностью закончена на занятии. После работы тетради собирают. Качество выполненной работы оценивается. Оценка определяется в основном следующими факторами:

  Учитель наблюдает за активностью каждого ученика во время лабораторного занятия.

  Учитель оценивает отчет (правильно и аккуратно выполняет все записи, таблицы, рисунки, чертежи, графики, вычисления; правильно выполняет анализ погрешностей).

  Учитель беседует с отдельными учениками как в процессе выполнения работы, так и по результатам наблюдений и измерений.

  Учитель оценивает знания учеником теоретического материала по ответам на контрольные вопросы.

1.4 Памятка для учеников по выполнению лабораторных работ по физике

Пояснительная записка.

Лабораторные работы позволяют получить навыки экспериментальной работы, умение обращаться с приборами, самостоятельно делать выводы из полученных опытных данных и тем самым более глубоко и полно усваивать теоретический материал физики.

Цели работ:

· Закрепление, углубление и конкретизация знаний по изучаемому материалу.

· Приобретение практических навыков работы с приборами и оборудованием.

· Приобретение навыков экспериментальной деятельности.

Погрешности измерений.

Измерение - это нахождение числового значения физической величины опытным путем с помощью средств измерений (линейки, вольтметра, часов и т.д.). Измерения могут быть прямыми и косвенными.

Прямое измерение - это нахождение числового значения физической величины непосредственно средствами измерений. Например, длину - линейкой, вес - динамометром.

Косвенное измерение - это нахождение числового значения физической величины по формуле, связывающей искомую величину с другими величинами, определяемыми прямыми измерениями. Например: сопротивление проводника определяют по формуле R=U/I, где U и I измеряются электроизмерительными приборами. Поэтому измерения никогда не могут быть выполнены абсолютно точно. Результат любого измерения приближенный, характеризуется погрешностью - отклонением измеренного значения физической величины от ее истинного значения.

Перечислим некоторые из причин, приводящих к появлению погрешностей.

1. Ограниченная точность изготовления средств измерения.

2. Влияние на измерение внешних условий (изменение температуры, колебание напряжения ...).

3. Действия экспериментатора (запаздывание с включением секундомера, различное положение глаза...).

4. Приближенный характер законов, используемых для нахождения измеряемых величин.

Перечисленные причины появления погрешностей неустранимы, хотя и могут быть сведены к минимуму. Для установления достоверности выводов, полученных в результате научных исследований, существуют методы оценки данных погрешностей [4].

Случайные и систематические погрешности.

Погрешности, возникающие при измерениях, делятся на систематические и случайные. Систематические погрешности -- это погрешности, соответствующие отклонению измеренного значения от истинного значения физической величины всегда в одну сторону (повышения или занижения). При повторных измерениях погрешность остается прежней.

Причины возникновения систематических погрешностей.

1. Несоответствие средств измерения эталону.

2. Неправильная установка измерительных приборов (наклон, неуравновешенность).

3. Несовпадение начальных показателей приборов с нулем и игнорирование поправок, которые, в связи с этим возникают.

Случайные погрешности - это погрешности, которые непредсказуемым образом меняют свое численное значение. Такие погрешности вызываются большим числом неконтролируемых причин, влияющих на процесс измерения (неровности на поверхности объекта, дуновение ветра, скачки напряжения и т.д.). Влияние случайных погрешностей может быть уменьшено при многократном повторении опыта [5].

Абсолютные и относительные погрешности.

Для количественной оценки качества измерений вводят понятия абсолютной и относительной погрешностей измерений. Абсолютной погрешностью называют модуль разности истинного и измеренного значения величины:

.

Относительной погрешностью называют отношение абсолютной погрешности к истинному значению величины:

.

Подготовка к лабораторным работам.

Для качественного выполнения лабораторных работ студентам необходимо:

1) повторить теоретический материал по конспекту и учебникам;

2) ознакомиться с описанием лабораторной работы;

3) в специальной тетради для лабораторных работ записать название и номер работы, перечень необходимого оборудования, подготовить схему или зарисовку установки, таблицы для записи результатов измерений и вычислений;

4) выяснить цель работы, четко представить себе поставленную задачу и способы её достижения, продумать ожидаемые результаты опытов;

5) ответить устно или письменно на контрольные вопросы по изучаемой теме или решить ряд задач;

6) изучить порядок выполнения лабораторной работы. Подготовить лабораторное оборудование к работе, если нужно собрать электрическую схему. После проверки правильности собранной схемы преподавателем можно начинать выполнение лабораторной работы.

Сборка электрических цепей.

При сборке электрических цепей требуется придерживаться следующих правил:

1) Проводить сборку цепи при отключенном источнике напряжения.

2) Вначале собирается последовательная цепь, а затем к ней присоединяются параллельные участки.

3) Сборку цепи начинают с "+" источника, а заканчивают на "-" источника напряжения.

4) При сборке цепей постоянного тока необходимо соблюдать полярность включения электроизмерительных приборов. "+" приборов необходимо подключать к "+" источника, а "-" приборов к "-" источника.

5) При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать правила техники безопасности, быть аккуратным, бережно относиться к оборудованию и приборам.

Выполнение измерений и вычислений.

1) Выполните лабораторную работу. При этом будьте внимательны при снятии показаний измерительных приборов. Старайтесь снять показания точнее, без излишне грубого округления. Результаты измерений занесите в таблицу.

2) Проведите вычисления искомых величин. При этом не нужно оставлять лишние цифры после запятой. Например, если U=10,3 В и I=0,53 А, то R=U/I=12,3/0,53=19,43396 Ом. Нет никакого смысла в результате вычисления сопротивления оставлять после запятой 5 знаков. Так как напряжение измерено с точностью до десятых долей вольта, то результат измерения сопротивления не будет превосходить эту точность. Точность измерения сопротивления будет ниже, чем точность измерения напряжения, поэтому в качестве ответа необходимо оставить R=19,4 Ом.

3) При вычислении относительной погрешности измерения, если дx<10%, то результаты хорошие, дx < 20% - удовлетворительные и дx > 20% - неудовлетворительные.

4) При построении графиков необходимо выяснить функциональную зависимость. Аргумент (независимая переменная) откладывается по горизонтальной оси, а функция - по вертикальной. Необходимо правильно выбрать масштаб по осям координат. Масштаб не должен быть слишком большим или слишком малым. В противном случае график будет или очень маленьким, или очень большим [6].

Глава 2. Лабораторная работа исследование изменения энтропии в изолированной системе

2.1 Теоретические аспекты лабораторной работы

Цель работы: исследование второго начала термодинамики для изолированной системы путем измерения приращения энтропии системы засечёт протекающего в ней теплообмена.

Приборы и принадлежности: калориметр с мешалкой и термометром, мензурка на 100-150 мл., бачок с водой при комнатной температуре, набор исследуемых образцов (свинцовые, алюминиевые и латунные цилиндры), нагреватель образцов с электроплиткой.

Второе начало термодинамики. Энтропия

Исторически второе начало (второй закон) термодинамики было установлено экспериментально, на основе изучения работы первых тепловых машин и процессов теплообмена. Сегодня второе начало сформулировано как на экспериментальном языке термодинамики (макрофизики), так и на языке статистической физики (микрофизики), основанной на молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Физическая величина - энтропия (S) введена в науку немецким физиком Клаузисом. Энтропия, наряду с внутренней энергией, является важнейшей характеристикой состояния макроскопической системы, однозначной функцией термодинамических параметров состояния (Р, V, Т). Формула Больцмана связывает энтропию системы (S) с вероятностью ее состояния (W).

S = klnW, (1)

где k - постоянная Больцмана, а W - термодинамическая вероятность состояния системы, которое обусловлено хаотическим движением частиц, и эта величина напрямую связана со степенью беспорядка в системе. Следовательно, энтропия может служить мерой молекулярного беспорядка в макроскопической системе. Состояние равновесия системы рассматривается как наиболее вероятное состояние. Термодинамическая формула изменения приращения энтропии системы при переходе ее из начального состояния 1 в конечное состояние 2 имеет вид:

. (2)

Здесь ?S=S₁-S₂ - приращение энтропии, в ?Q - элементарное (бесконечно малое) количество теплоты, ?Q/Т- элементарная приведенная теплота. При этом, если процесс обратим, то в формуле 2 имеет место знак равенства, если необратим - знак неравенства.

Эту формулу можно рассматривать как термодинамическое определение энтропии, а также как математическую запись второго начала термодинамики. Согласно формуле 2 содержание закона можно сформулировать так: «в любых процессах приращение энтропии системы либо равно суммарной приведённой работе, либо больше»

Величина может быть либо положительной, либо отрицательной, в зависимости от направления процесса теплообмена (знак ?Q). Согласно формуле 1 приращение энтропии связано с изменением вероятности состояния степени беспорядка [7].

Второе начало термодинамики для изолированных систем

Изолированная система не взаимодействует с другими системами, в том числе отсутствует процесс теплообмена. Однако в такой системе будут протекать процессы, если она находится в неравновесном состоянии. Формула приращения энтропии 2 для изолированной системы имеет вид ?S?0. Второе начало термодинамики можно сформулировать так: «любой процесс в изолированной системе подчиняется условию ?S?0, то есть энтропия изолированной системы либо неизменна (при обратимом процессе), либо возрастает (при необратимом процессе)». Таким образом, величина ?S в изолированной системе может служить мерой необратимости процессов, протекающих в ней: чем меньше ?S, тем ближе данный процесс к обратимому. В данной работе предлагается измерить величину ?S изолированной системы, в которой протекает теплообмен.

Описание экспериментальной установки

Схема лабораторной установки приведена на рис.1. В работе исследуется калориметрическая система, состоящая из следующих элементов:

- калориметр с мешалкой и термометром,

-вода, налитая во внутренний стакан калориметра,

-тело (металлические образцы), опущенное в воду.

Наличие внешнего стакана калориметра и крышки делает систему практически изолированной. Калориметр и вода в начале эксперимента находятся при комнатной температуре Т₁.

Рис. 1. Схема лабораторной установки.

Если тело, опушенное в воду в начале опыта, имеет более высокую температуру, то в системе начнется теплообмен. В итоге система придет в равновесное состояние с некоторой конечной температурой. Тела (металлические цилиндрики) до начала опыта нагреваются в специальном нагревателе с электроплиткой до температуры кипения воды при атмосферном давлении (Т = 373 К).

Поскольку начальное и конечное состояния отдельных частей (элементов) системы однородные (равновесные), то расчет приращения энтропии каждой системы можно производить по формуле 2, взяв знак равенства. При этом,

?Q =cmdT,

где с - удельная теплоемкость данного элемента системы, m - ее масса. Формулы для изменения энтропии отдельных частей системы, участвующих в теплообмене, будут иметь вид:

- для тела, опущенного в воду;

- для калориметра (внутреннего стакана);

- для воды;

- для мешалки.

Данные величины могут быть положительными или отрицательными. Учитывая аддитивность энтропии, изменение энтропии всей системы можно найти суммированием этих величин:

(3)

Здесь m_K, m_B и m_M - соответственно массы калориметра (алюминий), воды и мешалки (медь); c_K, c_B и c_M - их удельная теплоёмкость. m_T - масса, опущенного в воду тела, c_T - его теплоёмкость.

В работе используются тела из различных металлов. Проводиться несколько опытов с телами различной теплоёмкости и для каждого опыта по формуле 3 вычисляется изменение энтропии изолированной калориметрической системы. На основе этих данных делается заключение о степени необратимости процессов в различных опытах [7].

Измерения и обработка результатов

Калориметр и нагреватель находятся на различных столах. Масса калориметра и масса мешалки определены заранее и указаны на карточке. Сначала следует поместить испытуемое тело в нагреватель и включить его. После закипания воды следует выждать не менее 10 минут, чтобы тело прогрелось до температуры кипения воды. За это время необходимо налить в калориметр воду при комнатной температуре не более 100 г. (с помощью мензурки взять 100 мл. и взвесить для уточнения), закрыть калориметр и записать начальную температуру T₁. Когда испытуемое тело прогреется, следует поднести нагреватель, переместить тело в калориметр и закрыть его крышкой. В нагреватель можно поместить следующее испытуемое тело. Наблюдая за показаниями термометра, заметить максимальную температуру T₂, которая установится в калориметре. Рассчитать величину ?S по формуле 3. После этого подготовить калориметр к следующему опыту с другим телом: вылить нагретую воду и охладить его стакан комнатной водой. Всего провести 2-3 опыта, во всех опытах брать одинаковое количество воды при одинаковой начальной температуре. Результаты измерений и вычислений заносить таблицы 1 и 2. Проанализировать, есть ли зависимость ?S от теплоемкостиопускаемых в воду тел. Сделать выводы, в каких опытах теплообмен ближе к обратимому.

Отношение температур вычислять до 4-х знаков после запятой. Примечание: значения натуральных логарифмов брать из таблиц с точностью до 4-х знаков. Логарифмы чисел, близких к единице, вычислять с той же точностью по приближенной формуле ln(1 + х) х, при х<<1. Так, при х < 0,045 погрешность вычисления не более 0,1%.

Таблица 1

Учесть, что ln T₂ / T₁= - ln T / T₂

Таблица 2

Контрольные вопросы

1. Изучите:

а) процессы равновесные и неравновесные, обратимые и необратимые, их примеры.

б) понятия энтропии системы, статистическую формулу Больцмана.

в) термодинамическую формулу изменения энтропии и формулировку второго начала термодинамики для обратимых процессов.

г) знак величины ?S и ?Q.

2. Что можно сказать об энтропии системы и величине dS, а также об изменении порядка, если протекают следующие равновесные процессы (обратимые):

а) тело охлаждается.

б) вещество плавится.

в) идеальный газ адиабатно расширяется.

3. Назовите процессы, протекающие в системе, пользуясь графиком (рис. 2)

Рисунок 2. График зависимости S от T.

2.2 Проведение и анализ эксперимента

Для проведения данного эксперимента необходимо было восстановить лабораторное оборудование и привести его в рабочее состояние (см. приложение 1).

Также сделать карточку с наименованием опытных образцов и оборудования с данными об их массе и удельной теплоёмкости (см. приложение 2).

В ходе проведения эксперимента заполнили первую таблицу.

Таблица 3

(Т = 373 К)

С помощью формулы (3) представленной в теоретическом материале вычислим значение приращения энтропии:

Минуя однообразные вычисления запишем полученное значение изменения энтропии в системе для разных образцов.

?S₁ =-0,075

?S₂ =1,891

?S₃ =-0,205

Так как образец охлаждается, то общая энтропия может быть отрицательной (степень молекулярного беспорядка уменьшился). Поэтому возьмём её значение по модулю.

Перенесем данные в таблицу.

Учесть, что ln T₂ / T₁= - ln T / T₂

Таблица 4

Вывод: в ходе проведения лабораторной работы были найдены теплоёмкости образцов и изменение энтропии в системе, также выявлена зависимость ?S от c_тела: чем больше теплоёмкость, тем больше изменение энтропии в системе.

Исходя из второго начала термодинамики для изолированных систем, говорящем, что чем меньше ?S, тем ближе данный процесс к обратимому. И если учесть зависимость ?S от c_тела, то можно сказать, что чем меньше теплоёмкость тела, тем ближе процесс к обратимому (система со свинцом).

Заключение

В ходе написания курсовой работы была достигнута её основная цель: разработать экспериментальную установку для исследования изменения энтропии в изолированной системе. И выполнены поставленные задачи:

1. Изучить основные аспекты организации и проведения лабораторных работ по физике.

2. Подготовить оборудование к лабораторной работе.

3. Провести эксперимент и анализ его результатов.

Благодаря проделанной работе студенты ХГУ смогут проводить лабораторную работу по исследованию изменения энтропии в изолированной системе.

лабораторный энтропия изолированный

Список литературы

1. Агаева М.Э. Методическая разработка по теме: «Методика проведения лабораторных работ по физике» - пос. Лисино-Корпус, 2016. 8с. -

2. Анциферов Л.И., пищиков И.М. Практикум по методике и технике школьного физического эксперимента. Учебное пособие для учеников пед. ин-тов по физ.-мат. спец. - М.: Просвещение, 1984.

3. Фронтальные лабораторные занятия по физике в средней школе/Под ред. А.А.Покровского. - М.: Просвещение, 1970.

4. Лабораторные работы по физике с вопросами и заданиями: учебное пособие / Тарасов О.М. - М.: Форум, 2011. - 96 с.

5. Мякишев Г.Я. Учебник Физика 10 кл.: Дрофа, 2014 год.

6. Мякишев Г.Я. Учебник Физика 11 кл.: Дрофа, 2014 год.

7. Гафнер Ю.Я., Гафнер С.Л., Редель Л.В. Молекулярная физика. учебно-методический комплекс по дисциплине: лабораторный практикум для студентов, обучающихся по специальности 050203- Физика / Министерство образования и науки РФ, Хак. гос. ун-т им. Н. Ф. Катанова. - Абакан: Изд-во Хак. гос. ун-та им. Н. Ф. Катанова, 2008. 123 с.

Приложение 1

Приложение 2

Размещено на Allbest.ru