Прыклад пытанняў для абмеркавання па каларыметрыі
У фізіцы каларыметрыя — гэта раздзел навукі, які вывучае вымярэнне цеплыні ў хімічных рэакцыях або фізічных зменах. Прыбор, які выкарыстоўваецца для вымярэння колькасці цеплыні, называецца каларыметрам. Каларыметрыя адыгрывае вырашальную ролю, асабліва ў тэрмадынаміцы і фізічнай хіміі, дзе назіраюцца і вымяраюцца змены цеплавой энергіі.
Асноўныя прынцыпы каларыметрыі
Асноўны прынцып каларыметрыі заснаваны на законе захавання энергіі, а менавіта на тым, што энергія не можа быць ні створана, ні знішчана, а можа толькі пераўтварацца з адной формы энергіі ў іншую. У кантэксце каларыметрыі цеплавая энергія, якую губляе сістэма, павінна быць роўнай цеплавой энергіі, якая паглынаецца навакольным асяроддзем. Асноўным інструментам у каларыметрычных эксперыментах звычайна з'яўляецца каларыметр, які можа быць простым каларыметрам, а менавіта вадзяным каларыметрам, або больш складаным каларыметрам, такім як бомбавы каларыметр.
Асноўныя формулы каларыметрыі
Асноўная формула ў каларыметрыі:
Q = m c ΔT
Дзе:
– \(Q \) — колькасць цяпла (у джоўлях або калорыях)
– \(m \) — маса рэчыва (у грамах або кілаграмах)
– \(c \) — удзельная цеплаёмістасць рэчыва (у Дж/(г°C) або кал/(г°C))
– \( \Delta T \) — гэта змена тэмпературы (у °C)
Давайце разгледзім некалькі прыкладаў пытанняў і дыскусій, каб лепш зразумець канцэпцыю і прымяненне каларыметрыі.
Прыклады пытанняў і абмеркаванне 1
Пытанне:
Кавалак металу масай 200 грамаў награваюць да 100°C, а затым апускаюць у 100 грамаў вады пры тэмпературы 20°C. Канчатковая тэмпература сумесі складае 27°C. Вызначце ўдзельную цеплаёмістасць металу! (удзельная цеплаёмістасць вады = 4,18 Дж/(г°C))
Абмеркаванне:
Першы крок - разлічыць колькасць цяпла, паглынутага вадой. Выкарыстоўваючы асноўную формулу:
\[ Q_{\text{паветра}} = m_{\text{паветра}} \cdot c_{\text{паветра}} \cdot \Delta T_{\text{паветра}} \]
Пры \( m_{\text{паветра}} = 100 \) грамаў, \( c_{\text{паветра}} = 4.18 \) Дж/(г°C), і \( \Delta T_{\text{паветра}} = 27°C – 20°C = 7°C \),
\[ Q_{\text{паветра}} = 100 \times 4.18 \times 7 = 2926 \text{ Дж} \]
Цяпло, якое вылучаецца металам, такое ж, як і цяпло, якое паглынае вада, таму:
\[ Q_{\text{метал}} = 2926 \text{ Дж} \]
Выкарыстоўваючы формулу цяпла:
\[ m_{\text{металу}} \cdot c_{\text{металу}} \cdot \Delta T_{\text{металу}} = Q_{\text{металу}} \]
пры \(m_{\text{металу}} = 200 \) грамах, \(\Delta T_{\text{металу}} = 100°C – 27°C = 73°C \),
\[ 200 \cdot c_{\text{метал}} \cdot 73 = 2926 \text{Дж} \]
\[ c_{\text{метал}} = \frac{2926}{200 \times 73} \]
\[ c_{\text{метал}} = 0.2 \text{ Дж/(г°C)} \]
Такім чынам, удзельная цеплаёмістасць металу складае 0.2 Дж/(г°C).
Прыклады пытанняў і абмеркаванне 2
Пытанне:
Кавалак лёду масай 50 г пры тэмпературы 0°C змяшчаюць у 200 г вады пры тэмпературы 30°C у каларыметры. Вызначце канчатковую тэмпературу сумесі пасля дасягнення цеплавой раўнавагі! (цеплата плаўлення лёду = 334 Дж/г, удзельная цеплаёмістасць вады = 4,18 Дж/г°C)
Абмеркаванне:
Першы крок - разлічыць колькасць цяпла, неабходнага для раставання лёду:
\[ Q_{\text{расплаву}} = m_{\text{es}} \cdot L \]
з \(m_{\text{es}} = 50 \) грамамі і \(L = 334 \) Дж/г,
\[ Q_{\text{плаўлення}} = 50 \times 334 = 16700 \text{ Дж} \]
Далей знайдзіце колькасць цяпла, паглынутага лёдам пасля раставання, каб дасягнуць канчатковай тэмпературы \(T \) (прымаючы, што T — канчатковая тэмпература сумесі):
\[ Q_{\text{ледзяной вады}} = m_{\text{es}} \cdot c_{\text{паветра}} \cdot (T – 0°C) \]
пры \(c_{\text{паветра}} = 4.18 \text{Дж/г°C} \),
\[ Q_{\text{вадзяны лёд}} = 50 \times 4.18 \times T \]
Цяпло, якое вылучаецца халоднай вадой (ад 30°C да T):
\[ Q_{\text{паветра}} = m_{\text{паветра}} \cdot c_{\text{паветра}} \cdot (30°C – T) \]
пры м паветра = 200 грамаў,
\[ Q_{\text{паветра}} = 200 \times 4.18 \times (30 – T) \]
Пры цеплавой раўнавазе колькасць цяпла, паглынутага лёдам (каб растаць і нагрэцца да T), будзе роўная колькасці цяпла, якое вылучаецца вадой:
\[ Q_{\text{расплаву}} + Q_{\text{ледзяной вады}} = Q_{\text{вады}} \]
\[16700 + 50 \times 4.18 \times T = 200 \times 4.18 \times (30 – T) \]
\[16700 + 209T = 8360 \times (30 – T) \]
\[ 16700 + 209T = 250800 – 8360T \]
\[8569T = 234100 \]
\[ T = \frac{234100}{8569} \прыблізна 27.3°C \]
Такім чынам, канчатковая тэмпература сумесі пасля дасягнення цеплавой раўнавагі складае каля 27.3°C.
Выснова
Каларыметрыя — важны метад у фізіцы і хіміі, які выкарыстоўваецца для вызначэння колькасці цеплавой энергіі ў фізічным або хімічным працэсе. Выкарыстоўваючы асноўныя прынцыпы і формулы каларыметрыі, мы можам разлічыць розныя параметры, такія як удзельная цеплаёмістасць рэчыва, змяненне тэмпературы або энергія, якая паглынаецца/вылучаецца ў працэсе. У гэтым артыкуле мы разгледзелі прыклады задач і іх рашэнні ў кантэксце разумення каларыметрыі. Добрае разуменне гэтых паняццяў неабходна для вырашэння розных тэрмадынамічных задач і іншых практычных ужыванняў.
