Calor i canvi de fase: problemes i solucions
1. Segons el gràfic, quina és la calor absorbida per 5 kg d'aigua durant el procés de CD? Calor específica de l'aigua = 4,200 J/kg ° C.
Conegut:
Massa (m) = 5 kg
Calor específica de l'aigua (c) = 4200 J/kg ° C
Temperatura inicial (T1 ) = 0 ° C
Temperatura final (T2 ) = 10 ° C
El canvi de temperatura (ΔT) = 10 ° C – 0 ° C = 10 ° C
Es busca: Calor (Q)
Solució:
Q = mc⁻¹ ΔT = (5 kg)(4200 J/kg o C)(10 o C) = (5)(4200 J)(10) = (50)(4200 J) = 210,000 Joules
2. Quina és la calor absorbida per 20 grams de gel durant el procés de CA, si la calor específica del gel és de 2100 J/kg ° C i la calor de fusió del gel és de 336,000 J/kg?
Conegut:
Massa de gel (m) = 200 grams = 200/1000 quilograms = 0.2 quilograms
Calor específica (c) = 2100 J/kg ° C
Calor de fusió del gel (L F ) = 336,000 J/kg
Es busca: Calor absorbida pel gel durant el procés de CA
Solució:
Durant el procés AB, el gel absorbeix calor per canviar la seva temperatura de -10 ° C a 0 ° C.
Q = mc ΔT
Q = calor, m = massa de gel, c = calor específica del gel, ΔT = el canvi de temperatura
Q1 = mc⁻¹ ΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = ( 0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 joules
Durant el procés de reacció al gel (BC), s'absorbeix calor per fondre tot el gel i convertir-lo en aigua. En aquest procés només canvia de fase i no hi ha cap canvi de temperatura. La temperatura del gel i de l'aigua es manté a 0 ° C.
Calor absorbida durant el procés BC:
Q2 = m L F = (0.2 kg)(336,000 J/kg) = 67,200 Joules
Calor absorbida durant el procés de CA:
Q = Q1 + Q2 = 4200 joules + 67,200 joules = 71,400 joules
3. S'escalfa 2 kg d'aigua, i la calor de vaporització de l'aigua = 2.27 x 10⁶ J /kg, la calor específica de l'aigua = 4,200 J/kg ° C i la pressió atmosfèrica és d'1 atm, quina és la calor absorbida per l'aigua durant el procés BC?
Conegut:
Massa (m) = 2 kg
Calor de vaporització de l'aigua (L V ) = 2.27 x 10⁶ J /kg
Calor específica per a l'aigua (c) = 4,200 J/kg ° C
Es busca: Calor absorbida durant el procés BC.
Solució:
En el procés AB, s'absorbeix calor per augmentar la temperatura de l'aigua de 60 ° C a 100 ° C.
Q = m L V = (2 kg)(2.27 x 10⁶ J /kg) = 4.54 x 10⁶ Joules = 4540 x 10⁶ Joules = 4540 quilo Joules
4. Segons la figura següent, si la massa de gel és de 500 grams, la calor específica és de 2100 J/kg ° C i la calor latent de fusió del gel és de 336,000 J/kg. Determineu la calor necessària en el procés P–Q–R.
Conegut:
Massa de gel (m) = 500 grams = 500/1000 kg = 0.5 kg
Calor específica per al gel (c) = 2100 J/kg ° C
Calor latent de fusió (L F ) = 336,000 J/kg
Es busca: Calor
Solució:
Procés PQ = calor absorbida per augmentar la temperatura del gel de -4 ° C a 0 ° C
Procés QR = calor absorbida pel gel per fondre tot el gel i convertir-lo en aigua
Calor absorbida durant el procés PQ calculada mitjançant l'equació:
Q = mc ΔT
Q = calor, m = massa, c = calor específica del gel, ΔT = el canvi de temperatura
Calor absorbida pel gel durant el procés PQ calculada mitjançant aquesta equació:
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 J)(4)
Q = 4200 Joules
La calor absorbida durant el procés QR es calcula mitjançant aquesta equació:
Q = m L F
Q = (0.5 kg)(336,000 J/kg)
Q = (0.5)(336,000 J)
Q = 168,000 Joules
Calor total:
Q = 4200 joules + 168,000 joules
Q = 172,200 Joules
Q = 172.2 quilojoules
Q = 172.2 kJ
5. Gel amb una massa de 50 grams escalfat des de -5 ° C en aigua a 60 ° C. Si la calor de fusió del gel és de 80 cal/gram, la calor específica del gel és de 0.5 cal/gram ° C i la calor específica de l'aigua és d'1 cal/gram ° C, determineu la calor necessària en el procés CD.
Conegut:
Massa de gel = massa d'aigua (m) = 50 grams 
Calor latent de fusió del gel (L F ) = 80 cal/gram
Calor específica per al gel (c gel) = 0.5 cal/gram o C
Calor específica de l'aigua (c aigua) = 1 cal/gram ° C
Es busca: Calor necessària en el procés CD
Solució:
En els processos A a B, s'utilitza calor per augmentar la temperatura del gel de -5 ° C a 0 ° C. La calor es calcula mitjançant aquesta equació: Q = mc₂ ΔT, on Q = calor, m = massa de gel, c = calor específica per al gel, ΔT = el canvi de temperatura de -5 ° C a 0 ° C.
En els processos B a C, s'utilitza calor per fondre tot el gel i convertir-lo en aigua. En aquest procés, la temperatura no canvia. La calor es calcula mitjançant aquesta equació: Q = m L F , on Q = calor, m = massa de gel, L F = calor latent de fusió del gel.
En els processos C a D, s'utilitza calor per augmentar la temperatura de l'aigua de 0 ° C a 60 ° C. La calor es calcula mitjançant aquesta equació: Q = mc₂ ΔT, on Q = calor, m = massa d'aigua, c = calor específica de l'aigua, ΔT = el canvi de temperatura de 0 ° C a 60 ° C.
La calor necessària del procés C al D:
Q = mc⁻¹ ΔT = (50 grams)(1 cal/gram o C)(60 o C-0 o C) = (50)(1)(60) cal = 3000 cal
6. Si la massa del gel és d'1 kg, la calor específica del gel és de 2100 J/kg o C, la calor latent de fusió del gel és de 336,000 J/kg i la calor específica de l'aigua és de 4200 J/kg o C, determineu la calor necessària en el procés PQR.
Conegut:
Massa de gel = 1 kg
Calor latent de fusió del gel (L F ) = 336,000 J/kg
Calor específica del gel (c gel) = 2,100 J/kg ° C
Calor específica de l'aigua (c aigua) = 4,200 J/kg ° C
Es busca: Calor necessària en el procés PQR
Solució:
En el procés de P a Q, s'utilitza calor per augmentar la temperatura del gel de -5 ° C a 0 ° C. La calor es calcula mitjançant aquesta equació: Q = mc ΔT, on Q = calor , m = massa de gel , c = calor específica del gel, ΔT = el canvi de temperatura de -5 ° C a 0 ° C.
Calor necessària en el procés de P a Q:
Q = mc ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 Joules
En el procés Q a R, la calor necessària per fondre tot el gel en aigua. En aquest procés, la temperatura no canvia. La calor es calcula mitjançant aquesta equació: Q = m L F , on Q = calor , m = massa de gel , L F = calor latent de fusió del gel.
Calor necessària en el procés Q a R:
Q = m L F = (1)(336,000) = 336,000 Joules
Calor total:
10,500 + 336,000 = 346,500 joules
- Què és la calor latent?
- RespondreLa calor latent és l'energia calorífica necessària per canviar la fase d'una substància sense canviar-ne la temperatura. Representa l'energia necessària per trencar o formar enllaços intermoleculars durant els canvis de fase.
- Per què la temperatura es manté constant durant un canvi de fase?
- RespondreDurant un canvi de fase, tota l'energia calorífica proporcionada o eliminada s'utilitza per canviar la fase de la substància. Aquesta energia s'utilitza per trencar o formar enllaços intermoleculars, no per augmentar l'energia cinètica o la temperatura de la substància.
- Quina diferència hi ha entre la calor latent de fusió i la calor latent de vaporització?
- RespondreLa calor latent de fusió fa referència a l'energia calorífica necessària per canviar una substància de sòlid a líquid (o viceversa) en el seu punt de fusió. La calor latent de vaporització fa referència a l'energia calorífica necessària per canviar una substància de líquid a gas (o viceversa) en el seu punt d'ebullició.
- Per què sentim fred quan sortim d'una piscina en un dia ventós, fins i tot si la temperatura de l'aire és càlida?
- RespondreA mesura que l'aigua s'evapora de la nostra pell, experimenta un canvi de fase de líquid a vapor. Aquest procés requereix energia, que s'extreu de la nostra pell en forma de calor, cosa que fa que la nostra pell se senti més fresca.
- Per què el vapor a 100 °C és més perillós que l'aigua bullent a 100 °C?
- RespondreEl vapor conté més energia que l'aigua bullent perquè ha absorbit la calor latent de la vaporització durant el canvi de fase d'aigua a vapor. Quan el vapor es condensa a la pell, allibera aquesta energia addicional, causant cremades més greus que l'aigua bullent.
- Com redueix el punt de fusió afegir sal al gel?
- RespondreAfegir sal interromp l'equilibri entre la fusió i la congelació de la barreja d'aigua i gel. Això fa que es fongui més gel a una temperatura més baixa del que és habitual, cosa que redueix efectivament el punt de congelació de la barreja.
- Per què la sudoració ajuda a refrescar el cos en un dia calorós?
- RespondreLa suor, quan s'evapora de la pell, experimenta un canvi de fase de líquid a gas. Aquest procés d'evaporació requereix energia, que s'extreu de la pell i, per tant, la refreda.
- Què és la sublimació en el context dels canvis de fase?
- RespondreLa sublimació és el canvi de fase directe d'un sòlid a un gas sense passar per la fase líquida. Un exemple comú és el gel sec (diòxid de carboni sòlid) que passa directament a gas diòxid de carboni.
- Per què es necessita energia calorífica per fondre el gel tot i que la temperatura es manté a 0 °C?
- RespondreL'energia calorífica s'utilitza per trencar els enllaços intermoleculars que mantenen el gel en la seva estructura sòlida. Un cop trencats aquests enllaços, el gel passa a la fase líquida, tot i que no hi ha cap canvi de temperatura.
- Com afecta la pressió al punt d'ebullició d'un líquid?
- RespondreGeneralment, augmentar la pressió externa eleva el punt d'ebullició d'un líquid, mentre que disminuir la pressió el baixa. És per això que l'aigua bull a temperatures inferiors a 100 °C a grans altituds, on la pressió atmosfèrica és més baixa.
