Θερμότητα και αλλαγή φάσης – προβλήματα και λύσεις
1. Με βάση το γράφημα, ποια είναι η θερμότητα που απορροφάται από 5 kg νερού κατά τη διάρκεια της διεργασίας CD; Ειδική θερμότητα νερού = 4,200 J/kg o C.
Γνωστό:
Μάζα (m) = 5 kg
Ειδική θερμότητα νερού (c) = 4200 J/kg o C
Αρχική θερμοκρασία (T1 ) = 0 ° C
Τελική θερμοκρασία (T2 ) = 10 o C
Η μεταβολή της θερμοκρασίας (ΔT) = 10 o C – 0 o C = 10 o C
Ζητείται: Heat (Q)
Λύση:
Q = mc ΔT = (5 kg)(4200 J/kg o C)(10 o C) = (5)(4200 J)(10) = (50)(4200 J) = 210,000 Joule
2. Ποια είναι η θερμότητα που απορροφάται από 20 γραμμάρια πάγου κατά τη διάρκεια της διεργασίας AC, αν η ειδική θερμότητα του πάγου είναι 2100 J/kg o C και η θερμότητα τήξης του πάγου είναι 336,000 J/kg;
Γνωστό:
Μάζα πάγου (m) = 200 γραμμάρια = 200/1000 κιλά = 0.2 κιλά
Ειδική θερμότητα (c) = 2100 J/kg o C
Θερμότητα τήξης για πάγο (Lf ) = 336,000 J/kg
Ζητείται: Θερμότητα που απορροφάται από τον πάγο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας AC
Λύση:
Κατά τη διάρκεια της διεργασίας ΑΒ, ο πάγος απορροφά θερμότητα και η θερμοκρασία του αλλάζει από -10 ° C σε 0 ° C.
Q = mc ΔT
Q = θερμότητα, m = μάζα πάγου, c = ειδική θερμότητα πάγου, ΔT = η μεταβολή της θερμοκρασίας
Q 1 = mc ΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = (0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 Τζάουλ
Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας BC, απορροφάται θερμότητα για να λιώσει όλος ο πάγος σε νερό. Σε αυτή τη διαδικασία αλλάζει μόνο η φάση και δεν υπάρχει αλλαγή στη θερμοκρασία. Η θερμοκρασία του πάγου και του νερού παραμένει 0 o C.
Θερμότητα που απορροφάται κατά τη διάρκεια της διεργασίας BC:
Q2 = m L F = (0.2 kg)(336,000 J/kg) = 67,200 Joules
Θερμότητα που απορροφάται κατά τη διάρκεια της διεργασίας AC:
Q = Q1 + Q2 = 4200 Joule + 67,200 Joule = 71,400 Joule
3. Ένα νερό 2 kg θερμαίνεται και η θερμότητα εξάτμισης είναι 2.27 x 106 J /kg, η ειδική θερμότητα είναι 4,200 J/kg o C και η ατμοσφαιρική πίεση είναι 1 atm. Ποια είναι η θερμότητα που απορροφά το νερό κατά τη διάρκεια της διεργασίας BC;
Γνωστό:
Μάζα (m) = 2 kg
Θερμότητα εξάτμισης για το νερό (L V ) = 2.27 x 106 J /kg
Ειδική θερμότητα για το νερό (c) = 4,200 J/kg o C
Ζητείται: Απορροφούμενη θερμότητα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας BC.
Λύση:
Στη διεργασία ΑΒ, απορροφάται θερμότητα για να αυξηθεί η θερμοκρασία του νερού από 60 ° C σε 100 ° C.
Q = m L V = (2 kg)(2.27 x 106 J /kg) = 4.54 x 106 Joule = 4540 x 103 Joule = 4540 κιλοτζάουλ
4. Με βάση το παρακάτω σχήμα, εάν η μάζα του πάγου είναι 500 γραμμάρια, η ειδική θερμότητα είναι 2100 J/kg o C και η λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης του πάγου είναι 336,000 J/kg. Προσδιορίστε τη θερμότητα που απαιτείται στη διεργασία P–Q–R.
Γνωστό:
Μάζα πάγου (m) = 500 γραμμάρια = 500/1000 kg = 0.5 kg
Ειδική θερμότητα για πάγο (c) = 2100 J/kg o C
Λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης (Lf ) = 336,000 J/kg
Ζητείται: Ζέστη
Λύση:
Διεργασία PQ = θερμότητα που απορροφάται για την αύξηση της θερμοκρασίας του πάγου από -4 ° C σε 0 ° C
Διαδικασία QR = θερμότητα που απορροφάται από τον πάγο για να λιώσει όλο τον πάγο σε νερό
Η θερμότητα που απορροφάται κατά τη διάρκεια της διεργασίας PQ υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την εξίσωση:
Q = mc ΔT
Q = θερμότητα, m = μάζα, c = ειδική θερμότητα πάγου, ΔT = η μεταβολή της θερμοκρασίας
Η θερμοκρασία που απορροφήθηκε από τον πάγο κατά τη διάρκεια της διεργασίας PQ υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση:
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 Τζάουλ
Η θερμότητα που απορροφάται κατά τη διάρκεια της διεργασίας QR υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση:
Q = m L F
Q = (0.5 kg)(336,000 J/kg)
Q = (0.5)(336,000 J)
Q = 168,000 Τζάουλ
Συνολική θερμότητα:
Q = 4200 Joule + 168,000 Joule
Q = 172,200 Τζάουλ
Q = 172.2 κιλοτζάουλ
Q = 172.2 kJ
5. Πάγος μάζας 50 γραμμαρίων θερμαίνεται από -5 ° C σε νερό στους 60 ° C. Εάν η θερμότητα τήξης για τον πάγο είναι 80 θερμίδες/γραμμάριο, η ειδική θερμότητα για τον πάγο είναι 0.5 θερμίδες/γραμμάριο ° C και η ειδική θερμότητα για το νερό είναι 1 θερμίδα/γραμμάριο ° C, προσδιορίστε τη θερμότητα που απαιτείται στη διεργασία CD.
Γνωστό:
Μάζα πάγου = μάζα νερού (m) = 50 γραμμάρια 
Λανθάνουσα θερμότητα τήξης για πάγο (L/ F ) = 80 θερμίδες/γραμμάριο
Ειδική θερμότητα για πάγο (c πάγος) = 0.5 θερμίδες/γραμμάριο o C
Ειδική θερμότητα για το νερό (c νερό) = 1 θερμίδα/γραμμάριο o C
Ζητείται: Απαιτούμενη θερμότητα στο CD διεργασίας
Λύση:
Στη διαδικασία Α έως Β, χρησιμοποιείται θερμότητα για την αύξηση της θερμοκρασίας του πάγου από -5 ° C σε 0 ° C. Η θερμότητα υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την εξής εξίσωση: Q = mc ΔT, όπου Q = θερμότητα, m = μάζα πάγου, c = ειδική θερμότητα για πάγο, ΔT = η μεταβολή της θερμοκρασίας από -5 ° C σε 0 ° C.
Στις διεργασίες Β έως Γ, χρησιμοποιείται θερμότητα για την τήξη όλου του πάγου σε νερό. Σε αυτήν τη διεργασία, η θερμοκρασία δεν αλλάζει. Η θερμότητα υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση: Q = m L F , όπου Q = θερμότητα, m = μάζα πάγου, L F = λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης πάγου.
Στη διαδικασία C έως D, χρησιμοποιείται θερμότητα για την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού από 0 ° C σε 60 ° C. Η θερμότητα υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση: Q = mc ΔT, όπου Q = θερμότητα, m = μάζα νερού, c = ειδική θερμότητα νερού, ΔT = η μεταβολή της θερμοκρασίας από 0 ° C σε 60 ° C.
Η θερμότητα που απαιτείται από τη διαδικασία C έως D:
Q = mc ΔT = (50 γραμμάρια)(1 θερμίδα/γραμμάριο o C)(60 o C-0 o C) = (50)(1)(60) θερμίδες = 3000 θερμίδες
6. Εάν η μάζα του πάγου είναι 1 kg, η ειδική θερμότητα του πάγου είναι 2100 J/kg o C, η λανθάνουσα θερμότητα τήξης για τον πάγο είναι 336,000 J/kg και η ειδική θερμότητα του νερού είναι 4200 J/kg o C, τότε προσδιορίστε τη θερμότητα που απαιτείται στη διεργασία PQR.
Γνωστό:
Μάζα πάγου = 1 kg
Λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης πάγου (L2F ) = 336,000 J/kg
Ειδική θερμότητα πάγου (c πάγου) = 2,100 J/kg o C
Ειδική θερμότητα νερού (c νερό) = 4,200 J/kg o C
Ζητείται: Απαιτούμενη θερμότητα κατά τη διαδικασία PQR
Λύση:
Στη διαδικασία P έως Q, χρησιμοποιείται θερμότητα για την αύξηση της θερμοκρασίας του πάγου από -5 o C σε 0 o C. Η θερμότητα υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση: Q = mc ΔT, όπου Q = θερμότητα , m = μάζα πάγου , c = ειδική θερμότητα πάγου, ΔT = η μεταβολή της θερμοκρασίας από -5 o C σε 0 o C.
Θερμότητα που απαιτείται στη διεργασία P έως Q:
Q = mc ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 Τζάουλ
Στη διαδικασία Q έως R, η θερμότητα που απαιτείται για την τήξη όλου του πάγου σε νερό. Σε αυτήν τη διαδικασία, η θερμοκρασία παραμένει αμετάβλητη. Η θερμότητα υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση: Q = m L F , όπου Q = θερμότητα , m = μάζα πάγου , L F = λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης πάγου.
Θερμότητα που απαιτείται στη διεργασία Q έως R:
Q = m L F = (1)(336,000) = 336,000 Joules
Συνολική θερμότητα:
10,500 + 336,000 = 346,500 Τζάουλ
- Τι είναι η λανθάνουσα θερμότητα;
- ΑπάντησηΛανθάνουσα θερμότητα: Η λανθάνουσα θερμότητα είναι η θερμική ενέργεια που απαιτείται για να αλλάξει η φάση μιας ουσίας χωρίς να αλλάξει η θερμοκρασία της. Αντιπροσωπεύει την ενέργεια που απαιτείται για να σπάσει ή να σχηματιστούν διαμοριακοί δεσμοί κατά τη διάρκεια αλλαγών φάσης.
- Γιατί η θερμοκρασία παραμένει σταθερή κατά τη διάρκεια μιας αλλαγής φάσης;
- ΑπάντησηΚατά τη διάρκεια μιας αλλαγής φάσης, όλη η θερμική ενέργεια που παρέχεται ή αφαιρείται χρησιμοποιείται για την αλλαγή της φάσης της ουσίας. Αυτή η ενέργεια χρησιμοποιείται για τη διάσπαση ή τον σχηματισμό διαμοριακών δεσμών και όχι για την αύξηση της κινητικής ενέργειας ή της θερμοκρασίας της ουσίας.
- Ποια είναι η διαφορά μεταξύ λανθάνουσας θερμότητας σύντηξης και λανθάνουσας θερμότητας εξάτμισης;
- ΑπάντησηΗ λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης αναφέρεται στη θερμική ενέργεια που απαιτείται για να μετατραπεί μια ουσία από στερεά σε υγρή (ή αντίστροφα) στο σημείο τήξης της. Η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης αναφέρεται στη θερμική ενέργεια που απαιτείται για να μετατραπεί μια ουσία από υγρή σε αέρια (ή αντίστροφα) στο σημείο βρασμού της.
- Γιατί κρυώνουμε όταν βγαίνουμε από μια πισίνα μια μέρα με αέρα, ακόμα κι αν η θερμοκρασία του αέρα είναι ζεστή;
- ΑπάντησηΚαθώς το νερό εξατμίζεται από το δέρμα μας, υφίσταται μια αλλαγή φάσης από υγρό σε ατμό. Αυτή η διαδικασία απαιτεί ενέργεια, η οποία λαμβάνεται από το δέρμα μας με τη μορφή θερμότητας, με αποτέλεσμα το δέρμα μας να αισθάνεται πιο δροσερό.
- Γιατί ο ατμός στους 100°C είναι πιο επικίνδυνος από το βραστό νερό στους 100°C;
- ΑπάντησηΟ ατμός περιέχει περισσότερη ενέργεια από το βραστό νερό επειδή έχει απορροφήσει την λανθάνουσα θερμότητα της εξάτμισης κατά τη διάρκεια της αλλαγής φάσης από νερό σε ατμό. Όταν ο ατμός συμπυκνώνεται στο δέρμα, απελευθερώνει αυτήν την επιπλέον ενέργεια, προκαλώντας πιο σοβαρά εγκαύματα από το βραστό νερό.
- Πώς η προσθήκη αλατιού στον πάγο μειώνει το σημείο τήξης του;
- ΑπάντησηΗ προσθήκη αλατιού διαταράσσει την ισορροπία μεταξύ της τήξης και της πήξης του μείγματος πάγου-νερού. Αυτό προκαλεί την τήξη περισσότερου πάγου σε χαμηλότερη θερμοκρασία από το συνηθισμένο, μειώνοντας αποτελεσματικά το σημείο πήξης του μείγματος.
- Γιατί η εφίδρωση βοηθά στην ψύξη του σώματος σε μια ζεστή μέρα;
- ΑπάντησηΟ ιδρώτας, όταν εξατμίζεται από το δέρμα, υφίσταται αλλαγή φάσης από υγρό σε αέριο. Αυτή η διαδικασία εξάτμισης απαιτεί ενέργεια, η οποία αφαιρείται από το δέρμα, με αποτέλεσμα να ψύχεται.
- Τι είναι η εξάχνωση στο πλαίσιο των αλλαγών φάσης;
- ΑπάντησηΗ εξάχνωση είναι η άμεση αλλαγή φάσης από στερεό σε αέριο χωρίς να διέλθει από την υγρή φάση. Ένα συνηθισμένο παράδειγμα είναι ο ξηρός πάγος (στερεό διοξείδιο του άνθρακα) που μετατρέπεται απευθείας σε αέριο διοξείδιο του άνθρακα.
- Γιατί απαιτείται θερμική ενέργεια για την τήξη του πάγου παρόλο που η θερμοκρασία παραμένει στους 0°C;
- ΑπάντησηΗ θερμική ενέργεια χρησιμοποιείται για τη διάσπαση των διαμοριακών δεσμών που συγκρατούν τον πάγο στη στερεά του δομή. Μόλις σπάσουν αυτοί οι δεσμοί, ο πάγος μεταβαίνει στην υγρή φάση, παρόλο που δεν υπάρχει αλλαγή στη θερμοκρασία.
- Πώς επηρεάζει η πίεση το σημείο βρασμού ενός υγρού;
- ΑπάντησηΓενικά, η αύξηση της εξωτερικής πίεσης αυξάνει το σημείο βρασμού ενός υγρού, ενώ η μείωση της πίεσης το μειώνει. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το νερό βράζει σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από 100°C σε μεγάλα υψόμετρα, όπου η ατμοσφαιρική πίεση είναι χαμηλότερη.
