Hő és fázisváltozás – problémák és megoldások
1. A grafikon alapján mennyi hőt nyel el 5 kg víz a CD folyamat során? A víz fajhője = 4,200 J/kg ° C.
Ismert:
Tömeg (m²) = 5 kg
A víz fajhője (c) = 4200 J/kg o C
Kezdeti hőmérséklet (T1 ) = 0 ° C
Végső hőmérséklet (T2 ) = 10 ° C
A hőmérsékletváltozás (ΔT) = 10 ° C – 0 ° C = 10 ° C
Keresett: Hő (Q)
megoldás:
Q = mc ΔT = (5 kg)(4200 J/kg ° C)(10 ° C) = (5)(4200 J)(10) = (50)(4200 J) = 210 000 joule
2. Mekkora hőt nyel el 20 gramm jég a váltakozó áramú folyamat során, ha a jég fajhője 2100 J/kg ° C, és az olvadáshője 336 000 J/kg?
Ismert:
A jég tömege (m²) = 200 gramm = 200/1000 kilogramm = 0.2 kilogramm
Fajhő (c) = 2100 J/kg ° C
A jég olvadáshője (L F ) = 336 000 J/kg
Keresett: A jég által elnyelt hő a váltakozó áramú folyamat során
megoldás:
Az AB folyamat során a jég hőt nyel el, aminek következtében a hőmérséklete -10 ° C-ról 0 ° C -ra változik.
Q = mc ΔT
Q = hő, m = a jég tömege, c = a jég fajhője, ΔT = a hőmérsékletváltozás
Q1 = mcΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = (0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 joule
A BC folyamat során hő nyelődik el, ami az összes jeget vízzé olvadtja. A folyamat során csak a fázis változik, hőmérsékletváltozás nem történik. A jég és a víz hőmérséklete 0 ° C marad.
A BC folyamat során elnyelt hő:
Q2 = mL F = (0.2 kg)(336 000 J/kg) = 67 200 joule
AC folyamat során elnyelt hő:
Q = Q1 + Q2 = 4200 joule + 67 200 joule = 71 400 joule
3. 2 kg vizet melegítünk, a víz párolgáshője = 2.27 × 10⁶ J /kg, a víz fajhője = 4,200 J/kg ° C, a légköri nyomás pedig 1 atm. Mekkora hőt vesz fel a víz a BC folyamat során?
Ismert:
Tömeg (m²) = 2 kg
A víz párolgáshője (L V ) = 2.27 x 10 6 J/kg
A víz fajhője (c) = 4,200 J/kg ° C
Keresett: A BC folyamat során elnyelt hő.
megoldás:
Az AB folyamatban hőelnyeléssel a víz hőmérséklete 60 ° C-ról 100 ° C -ra emelkedik.
Q = mL V = (2 kg)(2.27 x 10 6 J/kg) = 4.54 x 10 6 Joule = 4540 x 10 3 Joule = 4540 kilojoule
4. Az alábbi ábra alapján, ha a jég tömege 500 gramm, a fajhője 2100 J/kg ° C, a jég látens olvadáshője pedig 336 000 J/kg. Határozza meg a P–Q–R folyamathoz szükséges hőt!
Ismert:
A jég tömege (m) = 500 gramm = 500/1000 kg = 0.5 kg
A jég fajhője (c) = 2100 J/kg o C
Látens olvadáshő (L F ) = 336 000 J/kg
Keresett: Hő
megoldás:
Folyamat PQ = a jég hőmérsékletének -4 ° C-ról 0 ° C -ra emeléséhez elnyelt hő
QR -folyamat = a jég által elnyelt hő, amely az összes jeget vízzé olvadáspontjává teszi
A folyamat során elnyelt hő PQ-értéke a következő egyenlettel számítható:
Q = mc ΔT
Q = hő, m = tömeg, c = a jég fajhője, ΔT = a hőmérsékletváltozás
A folyamat során elnyelt jég hőértékét a következő egyenlettel számítjuk ki: PQ
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 joule
A folyamat során elnyelt hő QR-értékét a következő egyenlettel számítjuk ki:
Q = m L F
Q = (0.5 kg)(336 000 J/kg)
Q = (0.5)(336 000 J)
Q = 168,000 joule
Teljes hőmennyiség:
Q = 4200 joule + 168 000 joule
Q = 172,200 joule
Q = 172.2 kilojoule
Q = 172.2 kJ
5. 50 gramm tömegű jeget -5 ° C-ról 60 ° C -os vízbe hevítünk . Ha a jég olvadáshője 80 kcal/gramm, a jég fajhője 0.5 kcal/gramm ° C, a víz fajhője pedig 1 kcal/gramm ° C, akkor határozzuk meg a CD folyamathoz szükséges hőt.
Ismert:
Jég tömege = víz tömege (m³) = 50 gramm 
A jég látens olvadáshője (L F ) = 80 kcal/gramm
A jég fajhője (c jég) = 0.5 kcal/gramm o C
A víz fajhője (c víz) = 1 kcal/gramm ° C
Keresett: A CD folyamathoz szükséges hő
megoldás:
Az A-B folyamatokban hőt használnak a jég hőmérsékletének -5 ° C-ról 0 ° C-ra emelésére. A hőt a következő egyenlettel számítják ki: Q = mc ΔT, ahol Q = hő, m = a jég tömege, c = a jég fajhője, ΔT = a hőmérséklet -5 ° C-ról 0 ° C -ra történő változása.
A B-C folyamatokban hőt használnak fel az összes jég vízzé olvasztására. Ebben a folyamatban a hőmérséklet nem változik. A hőt a következő egyenlettel számítják ki: Q = m L F , ahol Q = hő, m = a jég tömege, L F = a jég olvadásának látens hője.
A C-D eljárásokban hőt használnak a víz hőmérsékletének 0 ° C-ról 60 ° C-ra emelésére. A hőt a következő egyenlettel számítják ki: Q = mc ΔT, ahol Q = hő, m = a víz tömege, c = a víz fajhője, ΔT = a hőmérséklet változása 0 ° C-ról 60 ° C -ra.
A C-től D-ig terjedő folyamathoz szükséges hőmennyiség:
Q = mc ΔT = (50 gramm)(1 kcal/gramm ° C)(60 ° C-0 ° C) = (50)(1)(60) kcal = 3000 kcal
6. Ha a jég tömege 1 kg, a jég fajhője 2100 J/kg o C, a jég látens olvadáshője 336 000 J/kg, a víz fajhője pedig 4200 J/kg o C, akkor határozza meg a PQR folyamathoz szükséges hőt.
Ismert:
A jég tömege = 1 kg
A jég látens olvadáshője (L F ) = 336 000 J/kg
A jég fajhője (c jég) = 2,100 J/kg o C
A víz fajhője (c víz) = 4,200 J/kg o C
Keresett: A PQR folyamathoz szükséges hő
megoldás:
A P-Q folyamatban hőt használnak a jég hőmérsékletének -5 ° C-ról 0 ° C-ra emelésére. A hőt a következő egyenlettel számítják ki: Q = mc ΔT, ahol Q = hő , m = a jég tömege , c = a jég fajhője, ΔT = a hőmérséklet -5 ° C -ról 0 ° C -ra történő változása.
A P-től Q-ig tartó folyamathoz szükséges hő:
Q = mc ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 joule
A Q-tól R-ig tartó folyamatban az a hőmennyiség van, amely ahhoz szükséges, hogy az összes jég vízzé váljon. Ebben a folyamatban a hőmérséklet változatlan. A hőt a következő egyenlettel számíthatjuk ki: Q = m L F , ahol Q = hő , m = a jég tömege , L F = a jég olvadásának látens hője.
A Q-tól R-ig tartó folyamathoz szükséges hő:
Q = m L F = (1) (336 000) = 336 000 Joule
Teljes hőmennyiség:
10,500 + 336 000 = 346 500 joule
- Mi a látens hő?
- VálaszA látens hő az a hőenergia, amely egy anyag fázisának megváltoztatásához szükséges a hőmérsékletének megváltozása nélkül. Azt az energiát jelenti, amely a fázisváltozások során a molekulák közötti kötések felbomlásához vagy létrehozásához szükséges.
- Miért marad állandó a hőmérséklet fázisváltáskor?
- VálaszFázisváltozás során az összes leadott vagy eltávolított hőenergia az anyag fázisának megváltoztatására szolgál. Ez az energia intermolekuláris kötések felszakítására vagy létrehozására szolgál, nem pedig az anyag mozgási energiájának vagy hőmérsékletének növelésére.
- Mi a különbség a látens fúziós hő és a látens párolgási hő között?
- VálaszA látens fúziós hő azt a hőenergiát jelenti, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárdból folyékony halmazállapotúvá (vagy fordítva) váljon olvadáspontján. A párolgás látens hője azt a hőenergiát jelenti, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag folyékonyból gáz halmazállapotúvá (vagy fordítva) váljon forráspontján.
- Miért fázunk, amikor szeles napon kijövünk a medencéből, még akkor is, ha meleg van a levegőben?
- VálaszAhogy a víz elpárolog a bőrünkről, fázisváltozáson megy keresztül folyékonyból gőzzé. Ez a folyamat energiát igényel, amelyet hő formájában vonunk el a bőrünktől, ami miatt hűvösebbnek érződik a bőrünk.
- Miért veszélyesebb a 100°C-os gőz, mint a 100°C-os forrásban lévő víz?
- VálaszA gőz több energiát tartalmaz, mint a forrásban lévő víz, mivel a vízből gőzzé történő fázisátalakulás során elnyeli a párolgás látens hőjét. Amikor a gőz lecsapódik a bőrön, felszabadítja ezt a plusz energiát, ami súlyosabb égési sérüléseket okoz, mint a forrásban lévő víz.
- Hogyan csökkenti a jég olvadáspontját a só hozzáadása?
- VálaszA só hozzáadása felborítja a jég-víz keverék olvadása és fagyása közötti egyensúlyt. Ez azt eredményezi, hogy több jég olvad el alacsonyabb hőmérsékleten, mint általában, ami hatékonyan csökkenti a keverék fagyáspontját.
- Miért segít az izzadás lehűteni a testet egy forró napon?
- VálaszAz izzadság, amikor elpárolog a bőrről, folyadékból gáz halmazállapotúvá alakul. Ez a párolgási folyamat energiát igényel, amelyet a bőrtől vonunk el, így lehűtve azt.
- Mit jelent a szublimáció a fázisátalakulások kontextusában?
- VálaszA szublimáció a szilárd halmazállapotból gázneművé történő közvetlen fázisátalakulás anélkül, hogy a folyékony fázison áthaladna. Gyakori példa erre a szárazjég (szilárd szén-dioxid) közvetlen átalakulása szén-dioxid gázneművé.
- Miért szükséges hőenergia a jég megolvasztásához, ha a hőmérséklet 0°C marad?
- VálaszA hőenergiát a jég szilárd szerkezetét tartó molekulák közötti kötések felszakítására használják fel. Miután ezek a kötések felszakadnak, a jég folyékony fázisba kerül, annak ellenére, hogy a hőmérséklet nem változik.
- Hogyan befolyásolja a nyomás a folyadék forráspontját?
- VálaszA külső nyomás növelése általában növeli a folyadék forráspontját, míg a nyomás csökkentése csökkenti azt. Ezért forr a víz 100°C alatti hőmérsékleten nagy tengerszint feletti magasságban, ahol alacsonyabb a légköri nyomás.
