Calore e cambiamento di fase: problemi e soluzioni
1. In base al grafico, qual è il calore assorbito da 5 kg di acqua durante il processo CD? Calore specifico dell'acqua = 4,200 J/kg ° C.
Conosciuto :
Massa (m) = 5 kg
Calore specifico dell'acqua (c) = 4200 J/kg ° C
Temperatura iniziale (T 1 ) = 0 ° C
Temperatura finale (T 2 ) = 10 ° C
La variazione di temperatura (ΔT) = 10 ° C – 0 ° C = 10 ° C
Ricercato: Heat (Q)
soluzione:
Q = mc ΔT = (5 kg)(4200 J/kg ° C)(10 ° C) = (5)(4200 J)(10) = (50)(4200 J) = 210,000 Joule
2. Qual è il calore assorbito da 20 grammi di ghiaccio durante il processo AC, se il calore specifico del ghiaccio è 2100 J/kg ° C e il calore latente di fusione del ghiaccio è 336,000 J/kg?
Conosciuto :
Massa del ghiaccio (m) = 200 grammi = 200/1000 chilogrammi = 0.2 chilogrammi
Calore specifico (c) = 2100 J/kg ° C
Calore di fusione del ghiaccio (L F ) = 336,000 J/kg
Ricerca: Calore assorbito dal ghiaccio durante il processo di condizionamento
soluzione:
Durante il processo AB, il ghiaccio assorbe calore, modificando la sua temperatura da -10 ° C a 0 ° C.
Q = mc ΔT
Q = calore, m = massa del ghiaccio, c = calore specifico del ghiaccio, ΔT = variazione di temperatura
Q 1 = mc ΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = (0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 Joule
Durante il processo BC, il calore viene assorbito per fondere tutto il ghiaccio in acqua. In questo processo avviene solo un cambiamento di fase e non si verifica alcuna variazione di temperatura. La temperatura del ghiaccio e dell'acqua rimane di 0 ° C.
Calore assorbito durante il processo BC:
Q 2 = m L F = (0.2 kg)(336,000 J/kg) = 67,200 Joule
Calore assorbito durante il processo di corrente alternata:
Q = Q 1 + Q 2 = 4200 Joule + 67,200 Joule = 71,400 Joule
3. 2 kg di acqua vengono riscaldati, e il calore di vaporizzazione dell'acqua è pari a 2.27 x 10⁶ J /kg, il calore specifico dell'acqua è pari a 4,200 J/kg ° C e la pressione atmosferica è di 1 atm. Qual è il calore assorbito dall'acqua durante il processo BC?
Conosciuto :
Massa (m) = 2 kg
Calore di vaporizzazione dell'acqua (L V ) = 2.27 x 10 6 J/kg
Calore specifico dell'acqua (c) = 4,200 J/kg ° C
Ricerca: Calore assorbito durante il processo BC.
soluzione:
Nel processo AB, il calore viene assorbito per aumentare la temperatura dell'acqua da 60 ° C a 100 ° C.
Q = m L V = (2 kg)(2.27 x 10 6 J/kg) = 4.54 x 10 6 Joule = 4540 x 10 3 Joule = 4540 kilo Joule
4. In base alla figura sottostante, se la massa di ghiaccio è di 500 grammi, il calore specifico è di 2100 J/kg ° C e il calore latente di fusione del ghiaccio è di 336,000 J/kg, determinare il calore richiesto nel processo P–Q–R.
Conosciuto :
Massa di ghiaccio (m) = 500 grammi = 500/1000 kg = 0.5 kg
Calore specifico del ghiaccio (c) = 2100 J/kg ° C
Calore latente di fusione (L F ) = 336,000 J/kg
Ricercato: Calore
soluzione:
Processo PQ = calore assorbito per aumentare la temperatura del ghiaccio da -4 ° C a 0 ° C
Processo QR = calore assorbito dal ghiaccio per fondere tutto il ghiaccio e trasformarlo in acqua
Il calore assorbito durante il processo PQ è calcolato utilizzando l'equazione:
Q = mc ΔT
Q = calore, m = massa, c = calore specifico del ghiaccio, ΔT = variazione di temperatura
Il calore assorbito dal ghiaccio durante il processo PQ è stato calcolato utilizzando questa equazione:
Q = (0.5 kg)(2100 J/kg oC )(0 oC -(-4 oC ))
Q = (0.5 kg)(2100 J/kg oC )(0 oC + 4 oC )
Q = (0.5 kg)(2100 J/kg oC )(4 oC )
Q = (0.5)(2100 J)(4)
Q = 4200 Joule
Il calore assorbito durante il processo QR viene calcolato utilizzando questa equazione:
Q = m L F
Q = (0.5 kg)(336,000 J/kg)
Q = (0.5)(336,000 J)
Q = 168,000 Joule
Calore totale:
Q = 4200 Joule + 168,000 Joule
Q = 172,200 Joule
Q = 172.2 kilojoule
Q = 172.2kJ
5. Ghiaccio con massa di 50 grammi riscaldato da -5 ° C in acqua a 60 ° C. Se il calore latente di fusione del ghiaccio è 80 cal/grammo, il calore specifico del ghiaccio è 0.5 cal/grammo ° C e il calore specifico dell'acqua è 1 cal/grammo ° C, determinare il calore richiesto nel processo CD.
Conosciuto :
Massa del ghiaccio = massa dell'acqua (m) = 50 grammi 
Calore latente di fusione del ghiaccio (L F ) = 80 cal/grammo
Calore specifico del ghiaccio (c ghiaccio) = 0.5 cal/grammo ° C
Calore specifico dell'acqua (c acqua) = 1 cal/grammo ° C
Cercasi: calore richiesto nel processo CD
soluzione:
Nel processo da A a B, il calore viene utilizzato per innalzare la temperatura del ghiaccio da -5 ° C a 0 ° C. Il calore viene calcolato utilizzando la seguente equazione: Q = mc ΔT, dove Q = calore, m = massa del ghiaccio, c = calore specifico del ghiaccio, ΔT = variazione di temperatura da -5 ° C a 0 ° C.
Nel processo da B a C, il calore viene utilizzato per fondere tutto il ghiaccio in acqua. In questo processo, la temperatura non cambia. Il calore viene calcolato utilizzando la seguente equazione: Q = m L F , dove Q = calore, m = massa di ghiaccio, L F = calore latente di fusione del ghiaccio.
Nel processo da C a D, il calore viene utilizzato per aumentare la temperatura dell'acqua da 0 ° C a 60 ° C. Il calore viene calcolato utilizzando la seguente equazione: Q = mc ΔT, dove Q = calore, m = massa dell'acqua, c = calore specifico dell'acqua, ΔT = variazione di temperatura da 0 ° C a 60 ° C.
Il calore necessario per passare dal processo C al processo D:
Q = mc ΔT = (50 grammi)(1 cal/grammo ° C)(60 ° C-0 ° C) = (50)(1)(60) cal = 3000 cal
6. Se la massa di ghiaccio è 1 kg, il calore specifico del ghiaccio è 2100 J/kg ° C, il calore latente di fusione del ghiaccio è 336,000 J/kg e il calore specifico dell'acqua è 4200 J/kg ° C, determinare il calore richiesto nel processo PQR.
Conosciuto :
Massa del ghiaccio = 1 kg
Calore latente di fusione del ghiaccio (L F ) = 336,000 J/kg
Calore specifico del ghiaccio (c ghiaccio) = 2,100 J/kg ° C
Calore specifico dell'acqua (c acqua) = 4,200 J/kg ° C
Ricerca: Riscaldamento necessario nel processo PQR
soluzione:
Nel processo da P a Q, il calore viene utilizzato per innalzare la temperatura del ghiaccio da -5 ° C a 0 ° C. Il calore viene calcolato utilizzando la seguente equazione: Q = mc ΔT, dove Q = calore , m = massa del ghiaccio , c = calore specifico del ghiaccio, ΔT = variazione di temperatura da -5 ° C a 0 ° C.
Calore richiesto nel processo da P a Q:
Q = mc ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 Joule
Nel processo da Q a R, il calore necessario per fondere tutto il ghiaccio in acqua. In questo processo, la temperatura rimane invariata. Il calore viene calcolato utilizzando la seguente equazione: Q = m L F , dove Q = calore , m = massa di ghiaccio , L F = calore latente di fusione del ghiaccio.
Calore richiesto nel processo da Q a R:
Q = m L F = (1)(336,000) = 336,000 Joule
Calore totale:
10,500 + 336,000 = 346,500 Joule
- Che cos'è il calore latente?
- RispostaIl calore latente è l'energia termica necessaria per cambiare la fase di una sostanza senza modificarne la temperatura. Rappresenta l'energia necessaria per rompere o formare legami intermolecolari durante i cambiamenti di fase.
- Perché la temperatura rimane costante durante un cambiamento di fase?
- RispostaDurante un cambiamento di fase, tutta l'energia termica fornita o sottratta viene utilizzata per modificare la fase della sostanza. Questa energia viene utilizzata per rompere o formare legami intermolecolari, non per aumentare l'energia cinetica o la temperatura della sostanza.
- Qual è la differenza tra calore latente di fusione e calore latente di vaporizzazione?
- RispostaIl calore latente di fusione si riferisce all'energia termica necessaria per trasformare una sostanza dallo stato solido a quello liquido (o viceversa) al suo punto di fusione. Il calore latente di vaporizzazione si riferisce all'energia termica necessaria per trasformare una sostanza dallo stato liquido a quello gassoso (o viceversa) al suo punto di ebollizione.
- Perché sentiamo freddo quando usciamo da una piscina in una giornata ventosa, anche se la temperatura dell'aria è mite?
- RispostaQuando l'acqua evapora dalla nostra pelle, subisce un cambiamento di fase passando dallo stato liquido a quello gassoso. Questo processo richiede energia, che viene sottratta alla nostra pelle sotto forma di calore, causando una sensazione di freddo.
- Perché il vapore a 100 °C è più pericoloso dell'acqua bollente a 100 °C?
- RispostaIl vapore contiene più energia dell'acqua bollente perché ha assorbito il calore latente di vaporizzazione durante il passaggio di fase dall'acqua al vapore. Quando il vapore si condensa sulla pelle, rilascia questa energia in eccesso, causando ustioni più gravi rispetto all'acqua bollente.
- In che modo l'aggiunta di sale al ghiaccio ne abbassa il punto di fusione?
- RispostaL'aggiunta di sale altera l'equilibrio tra fusione e congelamento della miscela di ghiaccio e acqua. Ciò provoca una maggiore fusione del ghiaccio a una temperatura inferiore rispetto al normale, abbassando di fatto il punto di congelamento della miscela.
- Perché sudare aiuta a raffreddare il corpo nelle giornate calde?
- RispostaIl sudore, quando evapora dalla pelle, subisce un cambiamento di fase passando dallo stato liquido a quello gassoso. Questo processo di evaporazione richiede energia, che viene prelevata dalla pelle, raffreddandola.
- Che cos'è la sublimazione nel contesto dei cambiamenti di fase?
- RispostaLa sublimazione è il passaggio diretto di fase da uno stato solido a uno gassoso, senza passare attraverso la fase liquida. Un esempio comune è il ghiaccio secco (anidride carbonica solida) che si trasforma direttamente in anidride carbonica gassosa.
- Perché è necessaria energia termica per sciogliere il ghiaccio anche se la temperatura rimane a 0 °C?
- RispostaL'energia termica viene utilizzata per rompere i legami intermolecolari che mantengono il ghiaccio nella sua struttura solida. Una volta rotti questi legami, il ghiaccio passa alla fase liquida, anche se non si verifica alcuna variazione di temperatura.
- In che modo la pressione influisce sul punto di ebollizione di un liquido?
- RispostaIn generale, l'aumento della pressione esterna innalza il punto di ebollizione di un liquido, mentre la sua diminuzione lo abbassa. Per questo motivo, ad alta quota, dove la pressione atmosferica è inferiore, l'acqua bolle a temperature inferiori a 100 °C.
