Топлина и фазова промяна – проблеми и решения
1. Въз основа на графиката, каква е топлината, абсорбирана от 5 kg вода по време на процеса на CD? Специфична топлина на водата = 4,200 J/kg ° C.
Известни:
Маса (m) = 5 kg
Специфична топлина на водата (c) = 4200 J/kg ° C
Начална температура (T1 ) = 0 ° C
Крайна температура (T2 ) = 10 ° C
Промяната в температурата (ΔT) = 10 ° C – 0 ° C = 10 ° C
Търси се: Жега (Q)
решение:
Q = mc ΔT = (5 kg)(4200 J/kg ° C)(10 ° C) = (5)(4200 J)(10) = (50)(4200 J) = 210 000 джаула
2. Каква е топлината, абсорбирана от 20 грама лед по време на процеса на променлив ток, ако специфичната топлина на леда е 2100 J/kg ° C, а топлината на топене на леда е 336 000 J/kg.
Известни:
Маса на леда (m) = 200 грама = 200/1000 килограма = 0.2 килограма
Специфична топлина (c) = 2100 J/kg ° C
Топлина на топене на лед (L F ) = 336 000 J/kg
Търси се: Топлина, абсорбирана от лед по време на процеса на климатизация
решение:
По време на процес AB, топлината се абсорбира от леда, за да промени температурата му от -10 ° C до 0 ° C.
Q = mc ΔT
Q = топлина, m = маса на леда, c = специфична топлина на леда, ΔT = промяна в температурата
Q1 = mcΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = (0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 джаула
По време на процеса на BC, топлината се абсорбира, за да се стопи целият лед и да се превърне във вода. При този процес се променя само фазата и няма промяна в температурата. Температурата на леда и водата остава 0 ° C.
Топлина, абсорбирана по време на процеса BC:
Q2 = mL F = (0.2 kg)(336 000 J/kg) = 67 200 джаула
Топлина, абсорбирана по време на процеса на променлив ток:
Q = Q1 + Q2 = 4200 джаула + 67 200 джаула = 71 400 джаула
3. Вода с тегло 2 кг се нагрява, като топлината на изпарение на водата е = 2.27 x 10⁶ J /kg, специфичната топлина на водата е 4,200 J/kg ° C и атмосферното налягане е 1 atm. Каква е топлината, абсорбирана от водата по време на процеса BC?
Известни:
Маса (m) = 2 кг
Топлина на изпарение на водата (L V ) = 2.27 x 10 6 J/kg
Специфична топлина за вода (c) = 4,200 J/kg ° C
Търсена: Топлина, абсорбирана по време на процеса BC.
решение:
В процес AB се абсорбира топлина, за да се повиши температурата на водата от 60 ° C до 100 ° C.
Q = m L V = (2 kg)(2.27 x 10 6 J/kg) = 4.54 x 10 6 джаула = 4540 x 10 3 джаула = 4540 килоджаула
4. Въз основа на фигурата по-долу, ако масата на леда е 500 грама, специфичната топлина е 2100 J/kg ° C, а латентната топлина на топене на леда е 336 000 J/kg. Определете топлината, необходима за процеса P–Q–R.
Известни:
Маса на леда (m) = 500 грама = 500/1000 kg = 0.5 kg
Специфична топлина за лед (c) = 2100 J/kg ° C
Латентна топлина на топене (LF ) = 336 000 J/kg
Търси се: Жега
решение:
Процес PQ = топлина, абсорбирана за повишаване на температурата на леда от -4 ° C до 0 ° C
Процес QR = топлина, абсорбирана от леда, за да се стопи целият лед във вода
Топлина, абсорбирана по време на процеса PQ, изчислена по уравнение:
Q = mc ΔT
Q = топлина, m = маса, c = специфична топлина на леда, ΔT = промяната в температурата
Топлината, абсорбирана от лед по време на процеса PQ, изчислена по това уравнение:
Q = (0.5 kg) (2100 J/kg o C) (0 o C-(-4 o C))
Q = (0.5 kg) (2100 J/kg o C) (0 o C + 4 o C)
Q = (0.5 kg) (2100 J/kg o C) (4 o C)
Q = (0.5)(2100 Дж)(4)
Q = 4200 джаула
Топлина, абсорбирана по време на процеса QR, изчислена по това уравнение:
Q = m L F
Q = (0.5 кг)(336 000 Дж/кг)
Q = (0.5)(336 000 Дж)
Q = 168,000 джаула
Общо количество топлина:
Q = 4200 джаула + 168 000 джаула
Q = 172,200 джаула
Q = 172.2 килоджаула
Q = 172.2 kJ
5. Лед с маса 50 грама, нагрят от -5 ° C във вода при 60 ° C. Ако топлината на топене на леда е 80 кал/грам, специфичната топлина на леда е 0.5 кал/грам ° C, а специфичната топлина на водата е 1 кал/грам ° C, определете топлината, необходима за процеса CD.
Известни:
Маса на леда = маса на водата (m) = 50 грама 
Латентна топлина на топене за лед (L F ) = 80 кал/грам
Специфична топлина за лед (c лед) = 0.5 кал/грам ° C
Специфична топлина за вода (c вода) = 1 cal/gram o C
Търсена топлина: Необходима в процеса CD
решение:
В процес от А до Б, топлината се използва за повишаване на температурата на леда от -5 ° C до 0 ° C. Топлината се изчислява по следното уравнение: Q = mc ΔT, където Q = топлина, m = маса на леда, c = специфична топлина на леда, ΔT = промяната в температурата от -5 ° C до 0 ° C.
В процесите от B до C, топлината се използва за топене на целия лед във вода. В този процес температурата не се променя. Топлината се изчислява по следното уравнение: Q = m L F , където Q = топлина, m = маса на леда, L F = латентна топлина на топене на леда.
В процесите от C до D се използва топлина за повишаване на температурата на водата от 0 ° C до 60 ° C. Топлината се изчислява по следното уравнение: Q = mc ΔT, където Q = топлина, m = маса на водата, c = специфична топлина на водата, ΔT = промяната на температурата от 0 ° C до 60 ° C.
Топлината, необходима от процес C до D:
Q = mc ΔT = (50 грама)(1 кал/грам ° C)(60 ° C - 0 ° C) = (50)(1)(60) кал = 3000 кал
6. Ако масата на леда е 1 kg, специфичната топлина на леда е 2100 J/kg ° C, латентната топлина на топене на леда е 336 000 J/kg, а специфичната топлина на водата е 4200 J/kg ° C, тогава определете топлината, необходима за процеса PQR.
Известни:
Маса на леда = 1 кг
Латентна топлина на топене на лед (L F ) = 336 000 J/kg
Специфична топлина на леда (c лед) = 2,100 J/kg ° C
Специфична топлина на водата (c вода) = 4,200 J/kg ° C
Търси се: Необходима топлина в процеса PQR
решение:
В процесите от P до Q, топлината се използва за повишаване на температурата на леда от -5 ° C до 0 ° C. Топлината се изчислява по следното уравнение: Q = mc ΔT, където Q = топлина , m = маса на леда , c = специфична топлина на леда, ΔT = промяната на температурата от -5 ° C до 0 ° C.
Необходима топлина в процеса P до Q:
Q = mc ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 джаула
В процес от Q до R, топлината, необходима за топене на целия лед във вода. В този процес температурата не се променя. Топлината се изчислява по следното уравнение: Q = m L F , където Q = топлина , m = маса на леда , L F = латентна топлина на топене на леда.
Необходима топлина в процесите от Q до R:
Q = m L F = (1)(336 000) = 336 000 джаула
Общо количество топлина:
10 500 + 336 000 = 346 500 джаула
- Какво е латентна топлина?
- ОтговорЛатентната топлина е топлинната енергия, необходима за промяна на фазата на веществото, без да се променя температурата му. Тя представлява енергията, необходима за разкъсване или образуване на междумолекулни връзки по време на фазови промени.
- Защо температурата остава постоянна по време на фазова промяна?
- ОтговорПо време на фазова промяна, цялата топлинна енергия, която се предоставя или отвежда, се използва за промяна на фазата на веществото. Тази енергия се използва за разкъсване или образуване на междумолекулни връзки, а не за повишаване на кинетичната енергия или температура на веществото.
- Каква е разликата между латентната топлина на топене и латентната топлина на изпарение?
- ОтговорЛатентната топлина на топене се отнася до топлинната енергия, необходима за преминаване на вещество от твърдо в течно (или обратно) при точката му на топене. Латентната топлина на изпарение се отнася до топлинната енергия, необходима за преминаване на вещество от течност в газообразно (или обратно) при точката му на кипене.
- Защо ни е студено, когато излезем от басейн във ветровит ден, дори ако температурата на въздуха е топла?
- ОтговорДокато водата се изпарява от кожата ни, тя претърпява фазова промяна от течност в пара. Този процес изисква енергия, която се взема от кожата ни под формата на топлина, което я кара да се усеща по-хладна.
- Защо парата при 100°C е по-опасна от врящата вода при 100°C?
- ОтговорПарата съдържа повече енергия от врящата вода, защото е абсорбирала латентната топлина на изпаряване по време на фазовата промяна от вода в пара. Когато парата кондензира върху кожата, тя освобождава тази допълнителна енергия, причинявайки по-тежки изгаряния, отколкото врящата вода.
- Как добавянето на сол към леда понижава точката му на топене?
- ОтговорДобавянето на сол нарушава равновесието между топенето и замръзването на сместа от лед и вода. Това кара повече лед да се топи при по-ниска температура от обичайното, като по този начин ефективно понижава точката на замръзване на сместа.
- Защо изпотяването помага за охлаждане на тялото в горещ ден?
- ОтговорПотта, когато се изпарява от кожата, претърпява фазово преминаване от течност в газ. Този процес на изпаряване изисква енергия, която се взема от кожата, като по този начин тя се охлажда.
- Какво е сублимация в контекста на фазовите промени?
- ОтговорСублимацията е директна фазова промяна от твърдо състояние в газообразно, без преминаване през течната фаза. Често срещан пример е сухият лед (твърд въглероден диоксид), който преминава директно в газообразен въглероден диоксид.
- Защо е необходима топлинна енергия за топене на лед, въпреки че температурата остава 0°C?
- ОтговорТоплинната енергия се използва за разкъсване на междумолекулните връзки, които държат леда в твърдата му структура. След като тези връзки бъдат разкъсани, ледът преминава в течна фаза, въпреки че няма промяна в температурата.
- Как налягането влияе на точката на кипене на течност?
- ОтговорОбикновено увеличаването на външното налягане повишава точката на кипене на течността, докато намаляването на налягането я понижава. Ето защо водата кипи при температури под 100°C на голяма надморска височина, където атмосферното налягане е по-ниско.
