14. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ Цель работы: ознакомление с теорией теплопроводности в твёрдом теле, определение коэффициента теплопроводности калориметрическим методом. Оборудование: прибор для определения коэффициента теплопроводности, термометры, секундомер, мензурка. Краткая теория Рассмотрим два теплоизолированных тела (например, два алюминиевых стаканчика с водой (рис.12.1)), соединённых между собой однородным теплопроводящим (металлическим) стержнем с изолированной боковой поверхностью. Начальные температуры этих тел равны соответственно Т10 и Т20. По истечении некоторого времени в стержне возникает равномерное падение температуры, при котором поток тепла не будет изменяться вдоль стержня. Температуры тел через некоторый промежуток времени t равны соответственно Т1 и Т2. Пусть Т1 > Т2. Поток тепла вдоль стержня от тела 1 к телу 2 через поперечное сечение стержня площади S и длины L равен: dQ1 S (T1 T2 ) или dt L dQ2 S (T1 T2 ) dt L (12.1) Здесь - коэффициент теплопроводности стержня. Считая теплоёмкости С1 и С2 тел постоянными, запишем уравнения (1) в виде: C1 dT1 S (T1 T2 ) и dt L C2 dT2 S (T1 T2 ) dt L (12.2) Выразим из уравнений (12.2) быстроту изменения темперы тел: dT1 S (T1 T2 ) dt C1 L dT2 S (T1 T2 ) dt C2 L и (12.3) (12.4) Вычтем из уравнения (12.3) уравнение (12.4), получим dT1 dT2 d T1 T2 S (T1 T2 ) 1 1 dt dt dt L C1 C 2 (12.5) Обозначим через 1 S 1 1 L C1 C2 (12.6) Здесь имеет размерность времени. Используя обозначение (12.6), можно переписать уравнение (12.5) в виде: d T1 T2 (T T2 ) 1 dt (12.7) Это уравнение с разделяющимися переменными, проинтегрируем его и получим: T1 T2 Ae t (12.8) Следовательно, разность температур убывает во времени по экспоненциальному закону. За время эта разность убывает в е раз (е – основание натурального логарифма). Поэтому характеризует время установления равновесия между телами 1 и 2 (время релаксации). Постоянную А найдём из начальных условий: Т1 = Т10 и Т2 = Т20 при t=0. С учётом этого T1 T2 T10 T20 e t или t T1 T2 e T10 T20 (12.9) Прологарифмируем уравнение (9) и получим: T T t ln 10 20 T1 T2 (12.10) Подставим в уравнение (12.10) вместо 1/ правую часть уравнения (12.6) и получим: T T20 tS 1 1 . Отсюда найдём коэффициент теплопроводноln 10 T T L C C 2 2 1 1 сти: T T20 LC1C2 ln 10 St (C1 C2 ) T1 T2 (12.11) Если теплоёмкости тел 1 и 2 одинаковы (С1=С2=С), то коэффициент теплопроводности равен: LC T10 T20 ln 2St T1 T2 Описание установки и метода измерения (12.12) Коэффициент теплопроводности определяется калориметрическим методом. Общий вид установки для измерения коэффициента теплопроводности приведён на рисунке 12.1. Два одинаковых алюминиевых стакана соединены металлическим стержнем и окружены теплоизолирующей оболочкой. Чтобы использовать более простую формулу (12.12) в стаканы наливают одинаковые объёмы воды, измеренные мензуркой. Массу воды mв определяют как произведение плотности воды (1000 кг/м3) на её объём. В один стакан наливают горячую воду, а в другой – холодную. Теплоёмкость стакана с водой определяют по формуле C Cв mв Сал mал , где удельная теплоёмкость алюминия Сал = 895 Дж/(кг. К), удельная теплоёмкость воды Св= 4190 Дж/(кг. К), масса алюминиевого стакана mал= 48,19 г. 3 3 4 2 1 1 Рис.12.1 Установка для измерения коэффициента теплопроводности: 1 – алюминиевые стаканчики; 2 – теплопроводящий стержень; 3 – термометры; 4 – теплоизолирующая оболочка Площадь поперечного сечения стержня S= 0,000263 м2 , длина стержня L=0,0513 м. С помощью термометров, помещённых в стаканы, определяют температуры Т1 и Т2 в стаканах через равные промежутки времени. По формуле (12.12) рассчитывают коэффициент теплопроводности. Выполнение эксперимента Задание 1 ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СТЕРЖНЯ 1. Налить в один из алюминиевых стаканов 200 мл горячей воды, а в другой – столько же холодной воды. Стаканы закрыть крышечками с отверстием под термометры. Когда температура воды в стаканах изменится на 23 0С от начальной, можно начинать измерения. Помешивая воду в стаканах, измерить начальные температуры Т10 и Т20. 2. Через каждые 23 минуты измерять температуры Т1 и Т2 в стаканах, записывая время измерения. Эксперимент продолжать в течение 3540 минут. 3. Определите коэффициенты теплопроводности по результатам измерений, взяв данные, полученные через 10минут, 20 минут и 30 минут от начала измерений. 4. Найдите среднее значение коэффициента теплопроводности. 5. Пользуясь таблицей 12.1, установите материал образца. 1. 2. 3. 4. Задание 2* ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СТЕРЖНЯ ГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ Постройте график зависимости разности температур воды в сосудах от времени (Т2-Т1)=f(t) в программе MS Excel), используя формулу (12.9). Проведите аппроксимацию полученной функции, покажите уравнение и коэффициент достоверности на диаграмме. Используя уравнение аппроксимации, определите время релаксации . Из формулы (12.6) выразите коэффициент теплопроводности и определите его, используя найденное время релаксации. Сравните это значение коэффициента теплопроводности с полученным в задании 2. Сделайте вывод. Таблица 12.1. Значения коэффициентов теплопроводности некоторых металлов Материал Алюминий Дюралюминий Латунь Медь Сталь Железо Бронза Коэффициент теплопроводности, Вт/(м.К) 15. ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ЖИДКОСТЕЙ Цель работы: опытное определение характеристик теплового расширения твердых тел и жидкостей. Оборудование: прибор для измерения коэффициента линейного расширения твердых тел - ПРТТ, парообразователь, электроплитка, термометры, стержни из различных материалов, пробирки, подставка для них, штангенциркуль, установка для измерения коэффициента объемного расширения жидкостей. Краткая теория Тепловым расширением называется увеличение линейных размеров и объёмов тел, происходящее при повышении их температуры. Тепловое расширение твердых и жидких тел можно объяснить на основе молекулярно-кинетической теории вещества. Причина увеличения линейных размеров у твердых кристаллических тел состоит в увеличении расстояния между узлами кристаллической решетки соседних атомов при повышении температуры за счет увеличения энергии взаимодействия. Линейное тепловое расширение характерно для твёрдых тел. Объёмное тепловое расширение происходит как в твёрдых телах, так и в жидкостях при их нагревании. В жидкостях тепловое расширение объяснимо их структурой, наличием "ближнего порядка" в расположении молекул и существованием молекул, скачком меняющих свое положение. Среднее время "оседлого" существования, среднее время релаксации, уменьшается с повышением температуры, это обуславливает возрастающую подвижность молекул и нарушает связи между соседними молекулами. Для жидкостей тепловое расширение характеризуют только коэффициентом объемного расширения, который показывает, относительное изменение каждой единицы объема жидкости при нагревании на один Кельвин: 1 V . (15.1) V0 Для твердых тел указывают коэффициент линейного расширения, который показывает относительное изменение каждой единицы длины при нагревании на один Кельвин: 1 l . (15.2) l 0 Коэффициент объемного расширения твердого тела примерно втрое больше. Тепловое расширение твердого тела связано с зависимостью сил притяжения и отталкивания между соседними частицами и расстояния между ними. Из-за различной зависимости сил притяжения и сил отталкивания от расстояния кривая зависимости потенциальной энергии u от r не является параболической вблизи точки r = ro , где ro - равновесное расстояние между соседними частицами. Это значит, что силы, действующие в решетке, нельзя считать квазиупругими. Сила зависит от нелинейных членов, содержащих расстояние во второй и более высоких степенях. Чем больше амплитуда, тем сильнее влияние этих нелинейных членов. Однако только увеличение амплитуды не означает расширение кристалла. Вследствие негармоничности тепловых колебаний частиц твердого тела среднее расстояние отличается от равновесного ro на величину x, пропорциональную абсолютной температуре тела. Это увеличение среднего расстояния между частицами твердого тела при его нагревании и является главной причиной линейного и объемного расширения. Коэффициент линейного расширения равен относительному изменению среднего расстояния между двумя частицами при его нагревании на один Кельвин. У анизотропных твердых тел величина коэффициента линейного расширения зависит от направления. Тепловое расширение твердых тел может вызывать значительные упругие напряжения, которые необходимо учитывать, используя модуль Юнга. Можно рассчитать и силы, возникающие при тепловом расширении стержня. Описание установки и метода измерения Определение линейного расширения твердых тел выполняют на приборе ПРТТ (рис.15.1), который позволяет измерять абсолютное удлинение стержня при нагревании на определенное число градусов для трех различных материалов (алюминия, стали, стекла). Это удлинение измеряют индикатором малых перемещений, начальную длину - штангенциркулем. Установка для определения коэффициента объемного расширения жидкостей оформлена в виде стенда, она позволяет одновременно измерять коэффициент для двух жидкостей (рис.15.2). Измерение основано на методе сообщающихся сосудов, при котором можно не учитывать изменение размеров сосуда с жидкостью при нагревании, так как в нем использовано свойство сообщающихся сосудов: высоты разнородных жидкостей обратно пропорциональны их плотностям. Конструкцию установки рассмотрим только для одной жидкости. Сообщающиеся сосуды ACB (рис.15.2) заполнены исследуемой жидкостью и помещены в разные условия: одно колено AC нагревают паром или горячей водой, другое - BC - охлаждают холодной проточной водой из водопровода. Около верхних концов столбов жидкости Рис.15.1 Прибор расположены зеркала 1, с помощью которых по шкалам 2 для изучения можно отсчитывать положение мениска жидкости до и теплового распосле нагревания или охлаждения, в каждом колене. Темширения твёрпература среды, нагревающей или охлаждающей соответдых тел (ПРТТ) ствующие колена, измеряют термометрами Т1 и Т2, помещенными в специальные "карманы" водяной рубашки на каждом колене. Подвод холодной и горячей воды (водяного пара) производят через рези- Рис.15.2 АВС - сообщающиеся сосуды,1- зеркала, 2 -шкалы, 3,4,5,6,-штуцеры для холодной и горячей воды (или водяного пара), Т1,Т2 - термометры новые шланги, надетые на штуцеры 3 и 4, 5 и 6. Пусть колено А охлаждается до температуры t1 (oC), колено B нагревается водой до температуры t2(oC). После установления теплового равновесия в каждом колене высоты жидкости станут h1 и h2, плотность жидкости при температурах t1 и t2 выразим через плотность при 0oC и коэффициент объемного расширения жидкости : 0 и 2 0 1 1 t1 1 t2 Высота разнородных жидкостей в сообщающихся сосудах обратно пропорциональна плотностям жидкостей, поэтому h 1 2 или h1 h2 1 + t1 1 + t 2 h 2 1 Отсюда получим для коэффициента объемного расширения жидкости рабочую формулу, из которой видно, какие измерения необходимо произвести для определения коэффициента : h 2 h1 h1t 2 h 2 t1 (15.3) Высоты h1 и h2, входящие в формулу (15.3), должны отсчитываться от нижнего уровня оболочек, в которых созданы условия с температурами t1 и t2 , соответственно. Выполнение эксперимента Задание 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ 1. Ознакомление с прибором ПРТТ, с помощью которого измеряют коэффициент линейного расширения алюминиевого, стального и стеклянного стержней, проводят по паспорту. Для прибора - индикатора малых перемещений - необходимо определить цену деления каждой шкалы и направление вращения стрелки большой шкалы. 2. Подготавливают прибор ПРТТ к работе, измеряют начальную длину стержней штангенциркулем, температуру воды, налитой в пробирки. Воды наливают не более половины пробирки. Опускают в пробирки стержни. Одну из пробирок со стержнем помещают в прибор. Устанавливают индикатор над стержнем и стрелку большой шкалы выставляют на нуль. 3. Включают нагреватель в сеть. При нагревании воды наблюдают за показаниями стрелки шкалы индикатора. Когда показания перестанут изменяться (вода в пробирке закипит), выключите нагреватель, снимите показания по шкале. Затем отодвиньте головку индикатора в сторону, осторожно выньте пробирку и поставьте на подставку. 4. Установите в прибор пробирку с другим стержнем, повторите все необходимые действия как с первым стержнем. 5. Проведите опыт с третьим стержнем. Все результаты заносите в таблицу, подготовленную до прихода в лабораторию. 6. Вычислите коэффициент линейного расширения по формуле (15.2) для каждого материала, зная абсолютное удлинение l, начальную длину l0 и разность температур Т . 7. Сравните полученные значения с табличными. Погрешности измерения коэффициента вычислите по приборным погрешностям. Задание 2 *. ВЫЧИСЛЕНИЕ СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩЕЙ НА ИНДИКАТОР СО СТОРОНЫ СТЕРЖНЯ ПРИ ЕГО МАКСИМАЛЬНОМ УДЛИНЕНИИ 1. Измерьте диаметры стержней. Определите площади их сечений. 2. Посмотрите в справочной литературе значения модулей Юнга для железа, алюминия и стекла. 3. Вычислите силу, действующую на индикатор со стороны стержня при его максимальном удлинении для каждого стержня. 4. Оцените погрешность измерений. Задание 3. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОБЪЕМНОГО РАСШИРЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ 1. Ознакомьтесь с основными частями установки для измерения коэффициента объемного расширения двух жидкостей. Перед началом эксперимента отметьте положения уровней жидкости в каждом колене по зеркальной шкале. Выясните, какое колено будете охлаждать, какое - нагревать. Холодная вода должна поступать снизу. Пар пускают сверху, чтобы вода, образующаяся из пара, стекала через нижний штуцер. Термометры поместите в "карманы", заполнив их водой. 2. Нагревайте и охлаждайте жидкость до тех пор, пока положения уровней жидкости в коленах не перестанут изменяться. Запишите значения температур t1 и t2 в коленах и значения высот уровней h1 и h2 , определенных по зеркальной шкале. 3. Вычислите коэффициент объемного расширения для каждой жидкости по формуле (15.3). Оцените погрешности измерения для одной из жидкостей. Сравните полученные результаты с табличными. 16. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА Цель работы: изучение зависимости коэффициента поверхностного натяжения воды от температуры и концентрации спирта. Оборудование: прибор Ребиндера, нагреватель, наклонный манометр, дистиллированная вода, набор растворов спирта в воде, термометр. Краткая теория Коэффициент поверхностного натяжения является характеристикой жидкостей и твердых тел. Коэффициент жидкостей можно определить через работу внешних сил, затраченную на образование единицы площади поверхности при постоянной температуре. Работа внешних сил приводит к увеличению свободной энергии поверхностного слоя. Поэтому коэффициент можно определить через единичную свободную энергию, как физическую величину, численно равную свободной энергии единицы площади поверхности жидкости. Третье определение коэффициента через силу поверхностного натяжения: величина, численно равная силе поверхностного натяжения, действующей по касательной к поверхности жидкости, приходящейся на единицу длины линии раздела. Угол между касательными к линиям раздела сред, называется краевым углом. Если краевой угол равен нулю, смачивание считают полным. Полное несмачивание рассматривают при краевом угле, равном 180о. Полное смачивание или несмачивание являются предельными случаями. Реально можно наблюдать частичное смачивание, когда краевой угол острый ( 0 900 ) и частичное несмачивание, когда краевой угол тупой ( 900 1800 ). Наличие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что искривлённые поверхности раздела сред испытывают дополнительное давление. Это дополнительное давление называется давлением Лапласа. Оно всегда направлено к центру кривизны поверхности и зависит от радиуса кривизны поверхности и от рода граничащих веществ. Описание установки Прибор Ребиндера, служащий для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей, изображен на схеме (рис.16.1). Исследуемая жидкость наливается в сосуд 1, через пробку этого сосуда проходит стеклянная трубка 2, нижний конец которой оттянут и касается жидкости, а верхний соединен с атмосферой. В сосуде 1 создается разрежение с помощью аспиратора 3, когда приоткрыт кран 4. При определенной разности давлений P=Pа-Pс , где Pа - атмосферное давление, Pс - давление в сосуде 1, через стеклянную трубку 2 проскакивает пузырек воздуха. Эту разность давлений регистрирует наклонный манометр 5. Сосуд с исследуемой жидкостью помещен в водяную баню 6, снабженную термометром 7, мешалкой 8 и нагревателем 9. Для увеличения точности измерения разности давлений P исполь- зуется наклонный манометр (рис.16.1). От обычного жидкостного U-образного манометра он отличается тем, что одно его колено наклонено под небольшим углом к горизонту. Поэтому малые изменения высоты h столба жидкости в вертикальном колене сопровождаются значительным смещением столба L жидкости в наклонном колене, которое измеряют по шкале прибора. Разность давлений P может быть при этом вычислена по формуле: a c g L sin g h , где - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения. В данной работе измерение разности давлений носит относительный характер, и нет необходимости приводить показания L к разности давлений P. Рис.16.1. 1- сосуд с жидкостью, 2- "кончик", 3- аспиратор,4- кран, 5- наклонный манометр, 6- "водяная баня",7термометр, 8- мешалка, 9- нагреватель Выполнение эксперимента Задание 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПРИБОРА 1. Ополосните сосуд 1 и "кончик" капилляра дистиллированной водой. Заполните сосуд 1 дистиллированной водой до такого уровня, чтобы "кончик" касался поверхности. 2. Перед началом эксперимента, когда давление во всех частях установки одинаково, запишите показания уровня L0 наклонного манометра 5. 3. Медленно открывая кран 4 аспиратора 3, добейтесь такого состояния, чтобы пузырьки проскакивали с достаточно большим интервалом во времени (несколько секунд). 4. В момент отрыва пузырька воздуха снимите показания наклонного манометра L. Оно будет наибольшим. Рассчитайте L0= L - L0. 5. Опыт повторите не менее 8-10 раз. Усредните L0 . 6. Рассчитайте постоянную прибора 0 L 0с р , где 0 - коэффициент поверхностного натяжения дистиллированной воды, L0ср средняя разность показаний наклонного манометра по шкале. Задание 2. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ РАСТВОРОВ СПИРТА В ВОДЕ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ СПИРТА ПРИ ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ 1. Снимите показания температуры в лаборатории по термометру. 2. Заполните сосуд 1 раствором наименьшей концентрации спирта из набора. Ополосните "кончик" этим раствором. 3. Проведите последовательно операции как в пунктах 3-5 задания 1. 4. Рассчитайте коэффициент поверхностного натяжения раствора по формуле: L , где A - постоянная прибора Ребиндера, Lср - средняя разность по5. 6. 7. 8. казаний наклонного манометра для исследуемого раствора. Проведите измерения для всех растворов, имеющихся в наборе. Постройте график зависимости от концентрации спирта. Определите концентрацию спирта неизвестного раствора. Определите максимальное давление в пузырьке при работе с эталонной жидкостью. Задание 3. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТHОГО НАТЯЖЕНИЯ ВОДЫ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ. 1. Поместите сосуд 1 в сосуд с горячей водой (80° C) и проведите измерения при охлаждении на каждые 8-10 °C. 2. = f(to) . 17. НАБЛЮДЕНИЕ ЗА РОСТОМ КРИСТАЛЛОВ СОЛЕЙ ПОД МИКРОСКОПОМ Цель работы: пронаблюдать за ростом кристаллов нескольких солей (не менее четырёх) под микроскопом, описать процесс кристаллизации, форму кристаллов, определить скорость роста граней кристаллов. Оборудование: микроскоп, камера-окуляр – насадка на микроскоп, ноутбук с программным обеспечением, сосуды с растворами четырёх солей, предметное стекло, пипетка, салфетка для очистки предметного стекла. Краткая теория Дадим краткую характеристику солей, используемых в данной лабораторной работе. Поваренная соль (NaCl) имеет ионную кристаллическую решётку, в которой каждый ион окружен противоположно заряженными ионами; в результате нельзя сказать, что какая-то конкретная пара ионов образует молекулу. Вследствие взаимного притяжения ионов в кристалле поваренной соли это вещество плавится при высокой температуре (801°С). Каждый ион NaCl окружен шестью ближайшими соседями, имеюРис.17.1 Кристаллы NaCl под щими противоположный заряд. Элементарная микроскопом ячейка кристалла поваренной соли - это куб, у которого по углам и в центре каждой грани расположены ионы натрия. Ячейка такого типа называется гранецентрированной кубической. Кубическую форму имеют и крупные кристаллы поваренной соли (рис.17.1, рис.17.2а) [11,12]. Рис. 17.2 Форма кристаллов NaCl (галит): а-основная, кубическая; б, в – редко встречающаяся октаэдрическая и скелетная CuSO4.5H2O – медный купорос (ярко-синего цвета)(см.рис.17.3), который при нагревании выше 105 оС переходит в CuSO4×3H2O (голубого цвета); полностью обезвоживается при 258 оС. В природе встречается в виде минерала халькантита CuSO4×5H2O. Эти кристаллы имеют триклинную октаэдрическую кристаллическую решётку (рис.17.4) [11,12]. Рис.17.3 Кристаллы CuSO4.5H2O Рис.17.4 Кристаллическая ре- Калий жешётка CuSO4.5H2O лезосинеродистый, красная кровяная соль, K3Fe(CN)6, – тёмно-красные кристаллы, при измельчении дающие желтый порошок (рис.17.5). Растворимость: около 40 г в 100 мл воды при 15°. Раствор имеет желто-зеленый цвет. Имеет моноклинную кристаллическую решётку [11,12]. Рис.17.5. Калий железосинеродистый, красная кровяная соль, K3Fe(CN)6 Никель сернокислый NiSO4•7H2O представляет собой кристаллическое вещество изумрудно-зеленого или бирюзового цвета, растворимое в воде, выветривающееся на воздухе (рис.17.6). Это один из видов солей никеля [11,12]. . Хромокалиевые квасцы KCr(SO4)2.12H2O - темно-фиолетовые просвечивающие рубиново-красным цветом октаэдрические кристаллы. Реактив растворим в воде (14,3% безводной соли при 15 °С). При 75 °С раствор становится зеленым, после охлаждения через несколько дней снова приобретает фиолетовую Рис.17.7 Хромокалиевые квасцы KCr(SO4)2.12H2O Рис.17. 6 Никель сернокислый NiSO4•7H2O окраску. На воздухе квасцы выветриваются, покрываясь лиловым налетом. При нагревании до 100 °С, теряя часть воды, зеленеют. Полное обезвоживание достигается только при 350 °С. Нагретая выше 350 °С соль, приобретающая зеленоватожелтую окраску, теряет способность растворяться в воде [11,12]. Переход вещества из жидкого в твердое (кристаллическое) состояние называется кристаллизацией. Кристаллизация протекает вследствие перехода системы в термодинамически устойчивое состояние, обладающее меньшей свободной энергией. Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы свободная энергия твёрдой фазы была меньше, чем свободная энергия жидкой фазы. Процесс кристаллизации происходит в две стадии: образование центров кристаллизации и роста кристаллов из них. Описание установки Установка для наблюдения за ростом кристаллов состоит из микроскопа, камеры-окуляра, которая насаживается вместо окуляра на микроскоп. Камера подключается к ноутбуку. Общий вид установки изображён на рис. 17.9. Подготовив растворы солей, поочерёдно капнуть их с помощью пипетки на предметное стекло. С помощью программы ScopTek запустить камеру. Для этого нужно выполнить следующие действия: 1. Нажать кнопку ПУСК (левый нижний угол экрана монитора), Программы. Выбрать программу ScopTek, далее ScopPhoto 2. Для запуска камеры-окуляра в строке меню File выбрать Import Image, далее выбрать Live Capture ScopTekDCM35. 3. Появится окно Video [ScopTekDCM35], в поле которого можно видеть изображение картины, наблюдаемой в микроскоп 4. Для организации работы камеры в автоматическом режиме нужно войти в меню Capture (верхняя строка) Auto Capture. Появится окно, в котором нужно будет заполнить следующие строки: - указать адрес (создать папку на диске D) для записи будущих фотографий растущих кристаллов в поле Directory: (можно воспользоваться кнопкой ... ), - указать имя файла в поле File Prefix: - указать время, через которое будут делаться снимки, в поле Time clot(second): (рекомендуется 5 или 10 секунд) - указать продолжительность съёмки в поле Limit the total times (рекомендуется 5 или 10 минут). После установки нажать кнопку ОК . Камера начнёт работу в автоматическом режиме в течение установленного времени. После смены раствора на предметном стекле нужно снова организовать работу камеры в автоматическом режиме. Для этого повторите действия, описанные в п.4. Выполнение эксперимента Задание 1. НАБЛЮДЕНИЕ ЗА РОСТОМ КРИСТАЛЛОВ NaCl 1. Капнуть с помощью пипетки небольшую каплю раствора NaCl. 2. Получить чёткое изображение части границы капли на экране монитора, используя макро- и микровинты микроскопа и винты механизма перемещения предметного стекла в горизонтальном направлении. 3. Заранее создать папку для записи фотофайлов, указав свою фамилию. Внутри этой папки создать 4 папки с названием солей, предложенных для работы. 4. Дождавшись начала процесса кристаллизации (появления кристалликов в поле зрения камеры), организовать запись фотографий в соответствующую папку (см. описание установки) 5. Сделав заданное число фотографий, приступить к их обработке. Выбрать наиболее удачно сфотографированный кристалл. Измерить длины видимых сторон кристалла через равные заданные промежутки времени (указанные Вами в поле Time clot(second)). Вычислить скорость роста сторон. Результаты занести в таблицу (продумать самим). 6. Описать особенности роста кристалла данной соли (где начинается процесс кристаллизации в капле раствора, описать форму кристаллов, как кристаллы изменяются в процессе роста, где заканчивается процесс кристаллизации в капле, где кристаллы имеют более правильную форму и др.). Задание 2. НАБЛЮДЕНИЕ ЗА РОСТОМ КРИСТАЛЛОВ CUSO4.H2O (МЕДЬ (II) СЕРНОКИСЛАЯ 5-ВОДНАЯ) Проделать действия, описанные в пунктах 2-7 задания 1. Задание 3. НАБЛЮДЕНИЕ ЗА РОСТОМ КРИСТАЛЛОВ K3[FE(CN)6] (КАЛИЙ ЖЕЛЕЗОСИНЕРОДИСТЫЙ, ГЕКСАЦИАНОФЕРРАТ, КРАСНАЯ КРОВЯНАЯ СОЛЬ) Проделать действия, описанные в пунктах 2-7 задания 1. Задание 4. НАБЛЮДЕНИЕ ЗА РОСТОМ КРИСТАЛЛОВ NISO4.7H2O (НИКЕЛЬ(II) СЕРНОКИСЛЫЙ 7-ВОДНЫЙ) Проделать действия, описанные в пунктах 2-7 задания 1. Задание 5. НАБЛЮДЕНИЕ ЗА РОСТОМ КРИСТАЛЛОВ KCR(SO4)2.12H2O (ХРОМОКАЛИЕВЫЕ КВАСЦЫ) Проделать действия, описанные в пунктах 2-7 задания 1.
