Внимание! Не употребляйте внутрь никакие жидкости, используемые в этой работе.
Переохлажденная жидкость — метастабильное (неустойчивое) состояние вещества, при котором вещество остаётся в жидкой фазе даже при температуре ниже точки кристаллизации (замерзания). Оно достигается либо при быстром охлаждении, либо в отсутствии центров кристаллизации (этот случай и рассматривается в рамках данной задачи). Как было сказано, термодинамическое равновесие такой жидкости неустойчиво, поэтому даже при слабом механическом воздействии или контакте с твёрдыми частицами вещества, метастабильное состояние рушится и жидкость кристаллизуется, переходя в устойчивое равновесие
На фото переохлажденную воду из бутылки наливают в бокал. Из-за соприкосновения с уже кристаллизовавшейся жидкостью, струя воды «на лету» переходит в кристаллическое состояние.
Раствор стоит изготавливать в пробирке с крышкой. При этом рекомендуется готовить объёмом около $25~мл$. Мы готовим перенасыщенный при комнатной температуре раствор, поэтому порошок не будет растворяться в воде полностью. Чтобы он растворился, смесь необходимо нагреть в чайнике.
Выше приведена фазовая диаграмма раствора ацетата натрия в координатах $T$ температуры от массовой концентрации $c=m_{ац}/(m_{ац}+m_{вод})$ ацетата в растворе. В зоне Liquid равновесное состояние — водный раствор, а в зоне Liquid+SAT равновесное состояние — насыщенный раствор с осадком.
Явление переохлаждения заключается в том, что раствор из состояния Liquid охлаждают ниже температуры перехода Liquid $\to$ Liquid+SAT и при этом не образуется осадок, т.е. система находится не в равновесии.
Температуру этого перехода мы будем называть температурой кристаллизации. Фазу Liquid будем называть жидкой, а фазу Liquid+SAT твердой.
На деле диапазон концентраций, в котором переохлажденное состояние оказывается достаточно устойчивыми: $c \in [0.40, 0.55]$. Именно в границах этого диапазона мы будем работать в ходе данной задачи.
Измерим температуру кристаллизации и плотность раствора с концентрацией $c_0=0.50$.
Для измерения температуры фазового перехода нужно привести раствор в переохлаждённое состояние. Для этого:
Ответ запишите в единицах СИ.
Определите величину $T_0$. Ответ запишите в $^\circ\text{C}$.
Как вы могли заметить при выполнении эксперимента из части А, что кристаллизация идет не мгновенно по всему объему, а распространяется фронтом. В этой части мы измеряем скорость $v$ распространения фронта волны кристаллизации в зависимости от температуры, в которой находилась переохлажденная жидкость до начала кристаллизации.
Для проведения эксперимента по измерению скорости волны кристаллизации, необходимо следовать данной инструкции:
Известно, что при температурах близких к температуре плавления (обычно в районе $15-20\,{}^\circ\mathrm C$ ниже $T_0$), характер фронта волны кристаллизации заметно отличается от меньших температур, из-за чего отличается вид зависимости $v(T_\text{out})$ на низких и на высоких температурах. Пусть характерная температура, отвечающая этому изменению — $T_\text{c}$.
На рабочем столе вашего компьютера находятся две программы.
Первая из них: «recorder.exe» — программа для измерений с помощью автоматического термометра. Вторая из них: «analyzer.exe» — программа для начальной обработки полученных данных, полученный с помощью программы «recorder.exe».
На выходе из программы «recored.exe» вы получаете Excel таблицу с предобработанными данными, с которыми вам предстоит работать.
Тепловая мощность $P$, переходящая от через стенки пробирки от окружающей воды к содержимому пробирки, обусловлена законом Ньютона—Рихмана:\[ P = K \Delta T \tag{1},\]где $K$ — коэффициент теплопередачи.
Измерим коэффициент теплопередачи пробирки $K_\text{tube}$. Для этого снимем процесс остывания пробирки с водой, поставленной в ведерко с водой комнатной температуры. Уровни жидкости в ведерки и пробирке должны практически совпадать!
Объём воды в пробирке должен быть равным $25~мл$.
Сохраните обработанные данные в виде Excel таблицы (после автоматического сглаживания в выбранном вами диапазоне).
С помощью уравнения теплового баланса для воды внутри пробирки, можно определить её коэффициент теплопередачи $K_\text{tube}$.
Известно, что $c_\text{w} = 4200~\dfrac{кДж}{кг\cdot{}^\circ\text{C}}$ — удельная теплоёмкость воды, $\rho_\text{w} = 1000~кг/м^3$ — плотность воды.
Теперь повторим эксперимент для ацетата ацетата натрия. Приготовьте $25~мл$ раствора с концентрацией $c = 0.45$ (можете приготовите больше и слить избыток).
Сохраните обработанные данные в виде Excel таблицы (после автоматического сглаживания в выбранном вами диапазоне).
Сохраните обработанные данные в виде Excel таблицы (после автоматического сглаживания в выбранном вами диапазоне).
Далее используются следующие обозначения: $\rho_l$, $c_l$ — плотность и удельная теплоёмкость смеси в жидкой фазе, $\rho_s$, $c_s$ — в кристаллической.