Цяпло і змена фазы – праблемы і рашэнні

Цяпло і змена фазы — праблемы і рашэнні

1. Зыходзячы з графіка, што такое цёпла паглынаецца 5 кг вады падчас працэсу CD? Удзельная тэмпература вады = 4,200 Дж/кг ^oC.

Вядома: Цяпло і змена фазы - праблемы і рашэнні 1

Маса (м) = 5 кг

Удзельная цеплаёмістасць вады (c) = 4200 Дж/кг ^oC

Пачатковая тэмпература (T₁) = 0 ^oC

Канчатковая тэмпература (T₂) = 10 ^oC

Змена тэмпературы (ΔT) = 10 ^oЗ - 0 ^oC = 10 ^oC

Шукаецца: Цяпло (Q)

Рашэнне:

Q = mc ΔT = (5 кг)(4200 Дж/кг ^oС)(10 ^oC) = (5)(4200 Дж)(10) = (50)(4200 Дж) = 210 000 Дж

2. Якую цеплыню паглынае 20-грамовы лёд падчас працэсу пераменнага току, калі ўдзельная цеплаёмістасць лёду складае 2100 Дж/кг? ^oC, а цеплаплаўленне лёду — 336 000 Дж/кг.

Цяпло і змена фазы - праблемы і рашэнні 2 Вядома:

Маса лёду (м) = 200 грамаў = 200/1000 кілаграмаў = 0.2 кілаграма

Удзельная цеплаёмістасць (c) = 2100 Дж/кг ^oC

Цеплыня плаўлення лёду (л_F) = 334 000 Дж/кг

Хацелася: Цяпло, якое паглынаецца лёдам падчас працэсу пераменнага току

Рашэнне:

Падчас працэсу AB цяпло паглынаецца лёдам, каб змяніць яго тэмпературу з -10^oC да 0^oC.

Q = mc ΔT

Q = цеплаёмкасць, m = маса лёду, c = удзельная цеплаёмкасць лёду, ΔT = змена тэмпературы

Q₁= mc ΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = (0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 джоўляў

Падчас працэсу BC цяпло паглынаецца, каб расплавіць увесь лёд і ператварыць яго ў ваду. У гэтым працэсе змяняецца толькі фаза, і тэмпература не змяняецца. Тэмпература лёду і вады застаецца роўнай 0.^oC.

Цяпло, якое паглынаецца падчас працэсу BC:

Q₂= м L_F = (0.2 кг)(336 000 Дж/кг) = 67 200 джоўляў

Цяпло, якое паглынаецца падчас працэсу пераменнага току:

Q = Q₁+Q₂= 4200 джоўляў + 67,200 джоўляў = 71,400 джоўляў

3. Вада масай 2 кг награваецца, а цеплата выпарэння вады = 2.27 х 10⁶ Дж/кг, удзельная цеплаёмістасць вады = 4,200 Дж/кг ^oC і атмасферны ціск 1 атм, якая колькасць цяпла паглынае вада падчас працэсу BC?

Вядома: Цяпло і змена фазы - праблемы і рашэнні 3

Маса (м) = 2 кг

Цеплата выпарэння вады (л_V) = 2.27 х 10⁶ Дж/кг

Удзельная цеплаёмістасць вады (c) = 4,200 Дж/кг ^oC

Шукаецца: Цяпло, якое паглынаецца падчас працэсу BC.

Рашэнне:

У працэсе AB цяпло паглынаецца для павышэння тэмпературы вады з 60^oC да 100^oC.

Q = м L_V = (2 кг)(2.27 х 10⁶ Дж/кг) = 4.54 х 10⁶ Джоўль = 4540 х 10³Джоўль = 4540 кіладжоўляў

4. Зыходзячы з малюнка ніжэй, калі маса лёду складае 500 грамаў, удзельная цеплаёмістасць складае 2100 Дж/кг. ^oC, а схаваная цеплыня плаўлення лёду складае 336 000 Дж/кг. Вызначце цеплыню, неабходную для працэсу P–Q–R.

Глядзіце таксама Сярэдняя хуткасць — праблемы і рашэнні

Вядома: Цяпло і змена фазы - праблемы і рашэнні 5

Маса лёду (м) = 500 грамаў = 500/1000 кг = 0.5 кг

Удзельная цеплаёмістасць лёду (c) = 2100 Дж/кг ^oC

Схаваная цеплыня зліцця (L_F) = 334 000 Дж/кг

Шукаецца: Цяпло

Рашэнне:

Process PQ = цяпло, якое паглынаецца для павышэння тэмпературы лёду з -4^oC да 0^oC

Process QR = цяпло, якое паглынае лёд, каб расплавіць увесь лёд і ператварыць яго ў ваду

Паглынанне цяпла падчас працэсу PQ разлічваецца па формуле:

Q = mc ΔT

Q = цеплаёмкасць, m = маса, c = удзельная цеплаёмкасць лёду, ΔT = змена тэмпературы

Цяпло, паглынутае лёдам падчас працэсу PQ, разлічваецца па гэтай формуле:

Q = (0.5 кг)(2100 Дж/кг ^oС)(0^oC-(-4^oВ))

Q = (0.5 кг)(2100 Дж/кг ^oС)(0^oС+4^oC)

Q = (0.5 кг)(2100 Дж/кг ^oС)(4^oC)

Q = (0.5)(2100 Дж)(4)

Q = 760 400 джоўляў

Паглынанне цяпла падчас працэсу QR разлічваецца па гэтай формуле:

Q = м L_F

Q = (0.5 кг)(336 000 Дж/кг)

Q = (0.5)(336 000 Дж)

Q = 760 400 джоўляў

Агульная колькасць цяпла:

Q = 4200 джоўляў + 168 000 джоўляў

Q = 760 400 джоўляў

Q = 172.2 кіладжоўля

Q = 172.2 кДж

5. Лёд масай 50 грамаў, нагрэты ад -5^oC у ваду пры тэмпературы 60^oC. Калі цеплыня плаўлення лёду складае 80 кал/грам, то ўдзельная цеплаёмістасць лёду складае 0.5 кал/грам. ^oC, удзельная цеплаёмістасць вады складае 1 кал/грам ^oC, вызначце цеплыню, неабходную ў працэсе CD.

Вядома:

Маса лёду = маса вады (м) = 50 грамаў Цяпло і змена фазы - праблемы і рашэнні 6

Схаваная цеплыня плаўлення лёду (L_F) = 80 кал/грам

Удзельная цеплаёмістасць лёду (c лёду) = 0.5 кал/грам ^oC

Удзельная цеплаёмістасць вады (км вады) = 1 кал/грам ^oC

Хацелася: Цяпло, неабходнае ў працэсе CD

Рашэнне:

У працэсах ад А да Б цяпло выкарыстоўваецца для павышэння тэмпературы лёду з -5^oC да 0^oC. Цеплаёмістасць, разлічаная па гэтай формуле: Q = mc ΔT, дзе Q = цеплаёмістасць, m = маса лёду, c = удзельная цеплаёмістасць лёду, ΔT = змена тэмпературы ад -5^oC да 0^oC.

У працэсах B–C цяпло выкарыстоўваецца для расплаўлення ўсяго лёду і ператварэння яго ў ваду. У гэтым працэсе тэмпература не змяняецца. Цяпло разлічваецца па гэтай формуле: Q = м L_F, дзе Q = цяпло, m = маса лёду, L_F= схаваная цеплыня плаўлення лёду.

У працэсе C-D цяпло выкарыстоўваецца для павышэння тэмпературы вады ад 0^oC да 60^oC. Цеплаёмістасць, разлічаная па гэтай формуле: Q = mc ΔT, дзе Q = цеплаёмістасць, m = маса вады, c = удзельная цеплаёмістасць вады, ΔT = змена тэмпературы ад 0^oC да 60^oC.

Глядзіце таксама Механічная энергія — праблемы і рашэнні

Цепла, неабходнае для працэсаў C і D:

Q = mc ΔT = (50 грамаў)(1 кал/грам ^oС)(60^oC-0^oC) = (50)(1)(60) кал = 3000 кал

6. Калі маса лёду роўная 1 кг, удзельная цеплаёмістасць лёду складае 2100 Дж/кг.^oC, схаваная цеплыня плаўлення лёду складае 336 000 Дж/кг, а ўдзельная цеплыня вады — 4200 Дж/кг.^oC, затым вызначце цеплыню, неабходную для працэсу PQR.

Вядома:

Маса лёду = 1 кг Цяпло і змена фазы - праблемы і рашэнні 7

Схаваная цеплыня плаўлення лёду (L_F) = 334 000 Дж/кг

Удзельная цеплаёмістасць лёду (c лёду) = 2,100 Дж/кг^oC

Удзельная цеплаёмістасць вады (c вады) = 4,200 Дж/кг^oC

Хацелася: Неабходнае цяпло ў працэсе PQR

Рашэнне:

У працэсе ад P да Q цяпло выкарыстоўваецца для павышэння тэмпературы лёду з -5^oC да 0^oC. Цеплааддача, разлічаная па гэтай формуле: Q = mc ΔT, дзе Q= цёпла, m = маса лёду, c = удзельная цеплаёмістасць лёду, ΔT = змена тэмпературы ад -5^oC у 0^oC.

Неабходнае цяпло ў працэсе ад P да Q:

Q = mc ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 джоўляў

У працэсе ад Q да R — гэта цяпло, неабходнае для расплаўлення ўсяго лёду ў ваду. У гэтым працэсе тэмпература не змяняецца. Цяпло разлічваецца па гэтай формуле: Q = м L_F, дзе Q= цёпла, m = маса лёду, L_F= схаваная цеплыня плаўлення лёду.

Неабходная колькасць цяпла ў працэсе ад Q да R:

Q = м L_F= (1)(336,000) = 336,000 джоўля

Агульная колькасць цяпла:

10,500 + 336 000 = 346 500 джоўляў

Што такое схаваная цеплыня?
- АдказСхаваная цеплыня — гэта цеплавая энергія, неабходная для змены фазы рэчыва без змены яго тэмпературы. Яна ўяўляе сабой энергію, неабходную для разрыву або ўтварэння міжмалекулярных сувязей падчас фазавых змен.
Чаму тэмпература застаецца нязменнай падчас фазавага пераходу?
- АдказПадчас фазавага пераходу ўся цеплавая энергія, якая падаецца або адводзіцца, выкарыстоўваецца для змены фазы рэчыва. Гэтая энергія выкарыстоўваецца для разрыву або ўтварэння міжмалекулярных сувязей, а не для павышэння кінетычнай энергіі або тэмпературы рэчыва.
У чым розніца паміж схаванай цеплынёй плаўлення і схаванай цеплынёй выпарэння?
- АдказСхаваная цеплыня плаўлення адносіцца да цеплавой энергіі, неабходнай для пераходу рэчыва з цвёрдага стану ў вадкі (або наадварот) у тэмпературы яго плаўлення. Схаваная цеплыня выпарэння адносіцца да цеплавой энергіі, неабходнай для пераходу рэчыва з вадкасці ў газападобнае (або наадварот) у тэмпературы яго кіпення.
Чаму нам холадна, калі мы выходзім з басейна ў ветраны дзень, нават калі паветра цёплае?
- АдказПа меры выпарэння вады з нашай скуры яна пераходзіць з вадкасці ў пару. Гэты працэс патрабуе энергіі, якая забіраецца з нашай скуры ў выглядзе цяпла, у выніку чаго наша скура адчуваецца прахалодней.
Чаму пара пры тэмпературы 100°C больш небяспечная, чым кіпячая вада пры тэмпературы 100°C?
- АдказПара змяшчае больш энергіі, чым кіпячая вада, таму што яна паглынула схаваную цеплыню выпарэння падчас фазавага пераходу з вады ў пару. Калі пара кандэнсуецца на скуры, яна вызваляе гэтую лішнюю энергію, выклікаючы больш сур'ёзныя апёкі, чым кіпячая вада.
Як даданне солі ў лёд зніжае яго тэмпературу плаўлення?
- АдказДаданне солі парушае раўнавагу паміж раставаннем і замярзаннем сумесі лёду і вады. Гэта прыводзіць да таго, што больш лёду растае пры больш нізкай тэмпературы, чым звычайна, што эфектыўна зніжае тэмпературу замярзання сумесі.
Чаму пот дапамагае астудзіць цела ў спякотны дзень?
- АдказПот, выпараючыся са скуры, ператвараецца з вадкасці ў газападобнае стан. Гэты працэс выпарэння патрабуе энергіі, якая забіраецца са скуры, тым самым астуджаючы яе.
Што такое сублімацыя ў кантэксце фазавых змен?
- АдказСублімацыя — гэта прамы пераход фазы з цвёрдага стану ў газападобны без праходжання праз вадкую фазу. Тыповым прыкладам з'яўляецца сухі лёд (цвёрды вуглякіслы газ), які пераходзіць непасрэдна ў вуглякіслы газ.
Чаму для раставання лёду патрабуецца цеплавая энергія, нават калі тэмпература застаецца роўнай 0°C?
- АдказЦеплавая энергія выкарыстоўваецца для разрыву міжмалекулярных сувязяў, якія ўтрымліваюць лёд у яго цвёрдай структуры. Пасля разрыву гэтых сувязяў лёд пераходзіць у вадкую фазу, нават калі тэмпература не змяняецца.
Як ціск уплывае на тэмпературу кіпення вадкасці?

АдказЗвычайна павелічэнне знешняга ціску павышае тэмпературу кіпення вадкасці, а зніжэнне ціску — паніжае яе. Вось чаму вада кіпіць пры тэмпературах ніжэй за 100°C на вялікіх вышынях, дзе атмасферны ціск ніжэйшы.