Warmte en faseovergang – problemen en oplossingen
1. Hoeveel warmte wordt er volgens de grafiek geabsorbeerd door 5 kg water tijdens het CD-proces? De soortelijke warmte van water is 4,200 J/kg ° C.
Bekend:
Massa (m) = 5 kg
Soortelijke warmte van water (c) = 4200 J/kg ° C
Initiële temperatuur (T 1 ) = 0 ° C
Eindtemperatuur (T₂ ) = 10 ° C
De temperatuurverandering (ΔT) = 10 ° C – 0 ° C = 10 ° C
Gezocht: Warmte (Q)
oplossing:
Q = mc ΔT = (5 kg)(4200 J/kg ° C)(10 ° C) = (5)(4200 J)(10) = (50)(4200 J) = 210,000 Joule
2. Hoeveel warmte wordt er geabsorbeerd door 20 gram ijs tijdens het AC-proces, als de soortelijke warmte van ijs 2100 J/kg ° C is en de smeltwarmte van ijs 336,000 J/kg?
Bekend:
Massa ijs (m) = 200 gram = 200/1000 kilogram = 0.2 kilogram
Soortelijke warmte (c) = 2100 J/kg ° C
Smeltwarmte van ijs (L F ) = 336,000 J/kg
Gezocht: Warmte geabsorbeerd door ijs tijdens airconditioningproces
oplossing:
Tijdens proces AB wordt warmte geabsorbeerd door ijs, waardoor de temperatuur verandert van -10 ° C naar 0 ° C.
Q = mc ΔT
Q = warmte, m = massa van het ijs, c = soortelijke warmte van het ijs, ΔT = temperatuurverandering
Q 1 = mc ΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = (0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 Joule
Tijdens het BC-proces wordt warmte geabsorbeerd om al het ijs in water te laten smelten. Bij dit proces vindt alleen een faseverandering plaats en verandert de temperatuur niet. De temperatuur van het ijs en het water blijft 0 ° C.
Warmte geabsorbeerd tijdens proces BC:
Q 2 = m L F = (0.2 kg)(336,000 J/kg) = 67,200 Joule
Warmte geabsorbeerd tijdens het airconditioningproces:
Q = Q 1 + Q 2 = 4200 Joule + 67,200 Joule = 71,400 Joule
3. Er wordt 2 kg water verwarmd. De verdampingswarmte van water is 2.27 x 10⁶ J /kg, de soortelijke warmte van water is 4,200 J/kg ° C en de atmosferische druk is 1 atm. Hoeveel warmte wordt er door het water geabsorbeerd tijdens proces BC?
Bekend:
Massa (m) = 2 kg
Verdampingswarmte van water (L V ) = 2.27 x 10 6 J/kg
Soortelijke warmte van water (c) = 4,200 J/kg ° C
Gevraagd: Warmte geabsorbeerd tijdens proces BC.
oplossing:
Bij proces AB wordt warmte geabsorbeerd om de temperatuur van het water te verhogen van 60 ° C naar 100 ° C.
Q = m L V = (2 kg)(2.27 x 10⁶ J /kg) = 4.54 x 10⁶ Joule = 4540 x 10³ Joule = 4540 kilojoule
4. Gebaseerd op onderstaande figuur, als de massa van het ijs 500 gram is, de soortelijke warmte 2100 J/kg ° C en de latente smeltwarmte van ijs 336,000 J/kg, bepaal dan de benodigde warmte in proces P–Q–R.
Bekend:
Massa ijs (m) = 500 gram = 500/1000 kg = 0.5 kg
Soortelijke warmte van ijs (c) = 2100 J/kg ° C
Latente smeltwarmte (L F ) = 336,000 J/kg
Gezocht: Hitte
oplossing:
Proces PQ = warmte die nodig is om de temperatuur van het ijs te verhogen van -4 ° C naar 0 ° C
Proces QR = warmte geabsorbeerd door ijs om al het ijs te laten smelten tot water
De warmte die tijdens het proces PQ wordt geabsorbeerd, wordt berekend met behulp van de volgende vergelijking:
Q = mc ΔT
Q = warmte, m = massa, c = soortelijke warmte van ijs, ΔT = temperatuurverandering
De warmte die ijs absorbeert tijdens proces PQ wordt berekend met behulp van deze vergelijking:
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
De warmte die tijdens het proces QR wordt geabsorbeerd, wordt berekend met behulp van deze vergelijking:
Q = m L F
Q = (0.5 kg)(336,000 J/kg)
Q = (0.5)(336,000 J)
Q = 168,000 Joule
Totale warmte:
Q = 4200 Joule + 168,000 Joule
Q = 172,200 Joule
Q = 172.2 kilojoule
Q = 172.2 kJ
5. Een ijsmassa van 50 gram wordt verwarmd van -5 ° C tot water van 60 ° C. Als de smeltwarmte van ijs 80 cal/gram is, de soortelijke warmte van ijs 0.5 cal/gram ° C en de soortelijke warmte van water 1 cal/gram ° C, bepaal dan de benodigde warmte in proces CD.
Bekend:
Massa ijs = massa water (m) = 50 gram 
Latente smeltwarmte van ijs (L<sub> F</sub> ) = 80 cal/gram
Soortelijke warmte van ijs (c_ijs) = 0.5 cal/gram ° C
Soortelijke warmte van water (c water) = 1 cal/gram ° C
Gezocht: Warmte nodig in proces-CD
oplossing:
In proces A naar B wordt warmte gebruikt om de temperatuur van ijs te verhogen van -5 ° C naar 0 ° C. De warmte wordt berekend met de volgende vergelijking: Q = mc ΔT, waarbij Q = warmte, m = massa van het ijs, c = soortelijke warmte van ijs en ΔT = de temperatuurverandering van -5 ° C naar 0 ° C.
In proces B tot en met C wordt warmte gebruikt om al het ijs tot water te smelten. Tijdens dit proces verandert de temperatuur niet. De warmte wordt berekend met de volgende vergelijking: Q = m L F , waarbij Q = warmte, m = massa ijs en L F = latente smeltwarmte van ijs.
In proces C tot en met D wordt warmte gebruikt om de temperatuur van water te verhogen van 0 ° C naar 60 ° C. De warmte wordt berekend met de volgende vergelijking: Q = mc ΔT, waarbij Q = warmte, m = massa water, c = soortelijke warmte van water en ΔT = de temperatuurverandering van 0 ° C naar 60 ° C.
De warmte die nodig is van proces C naar D:
Q = mc ΔT = (50 gram)(1 cal/gram ° C)(60 ° C - 0 ° C) = (50)(1)(60) cal = 3000 cal
6. Als de massa ijs 1 kg is, de soortelijke warmte van ijs 2100 J/kg ° C is, de latente smeltwarmte van ijs 336,000 J/kg is en de soortelijke warmte van water 4200 J/kg ° C is, bepaal dan de benodigde warmte in proces PQR.
Bekend:
Massa ijs = 1 kg
Latente smeltwarmte van ijs (L F ) = 336,000 J/kg
Soortelijke warmte van ijs (c<sub>ice</sub>) = 2,100 J/kg ° C
Soortelijke warmte van water (c water) = 4,200 J/kg ° C
Gezocht: Warmte nodig in proces PQR
oplossing:
In proces P tot en met Q wordt warmte gebruikt om de temperatuur van ijs te verhogen van -5 ° C naar 0 ° C. De warmte wordt berekend met de volgende vergelijking: Q = mc ΔT, waarbij Q = warmte , m = massa van het ijs , c = soortelijke warmte van ijs en ΔT = de temperatuurverandering van -5 ° C naar 0 ° C.
Warmte die nodig is in proces P tot Q:
Q = mc ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 Joule
In proces Q tot R is de warmte nodig om al het ijs in water te smelten. Tijdens dit proces blijft de temperatuur onveranderd. De warmte wordt berekend met de volgende vergelijking: Q = m L F , waarbij Q = warmte , m = massa ijs en L F = latente smeltwarmte van ijs.
Warmte die nodig is in proces Q naar R:
Q = m L F = (1)(336,000) = 336,000 Joule
Totale warmte:
10,500 + 336,000 = 346,500 Joule
- Wat is latente warmte?
- AntwoordLatente warmte is de warmte-energie die nodig is om de fase van een stof te veranderen zonder de temperatuur ervan te wijzigen. Het vertegenwoordigt de energie die nodig is om intermoleculaire bindingen te verbreken of te vormen tijdens faseovergangen.
- Waarom blijft de temperatuur constant tijdens een faseovergang?
- AntwoordTijdens een faseovergang wordt alle toegevoerde of onttrokken warmte-energie gebruikt om de fase van de stof te veranderen. Deze energie wordt gebruikt om intermoleculaire bindingen te verbreken of te vormen, niet om de kinetische energie of temperatuur van de stof te verhogen.
- Wat is het verschil tussen latente smeltwarmte en latente verdampingswarmte?
- AntwoordDe latente smeltwarmte verwijst naar de warmte-energie die nodig is om een stof van vast naar vloeibaar (of omgekeerd) te laten overgaan bij het smeltpunt. De latente verdampingswarmte verwijst naar de warmte-energie die nodig is om een stof van vloeibaar naar gasvormig (of omgekeerd) te laten overgaan bij het kookpunt.
- Waarom hebben we het koud als we op een winderige dag uit een zwembad stappen, zelfs als de buitentemperatuur warm is?
- AntwoordWanneer water van onze huid verdampt, ondergaat het een faseovergang van vloeistof naar gas. Dit proces vereist energie, die aan onze huid wordt onttrokken in de vorm van warmte, waardoor onze huid koeler aanvoelt.
- Waarom is stoom van 100 °C gevaarlijker dan kokend water van 100 °C?
- AntwoordStoom bevat meer energie dan kokend water, omdat het de latente verdampingswarmte heeft geabsorbeerd tijdens de faseovergang van water naar stoom. Wanneer stoom op de huid condenseert, komt deze extra energie vrij, waardoor ernstigere brandwonden ontstaan dan bij kokend water.
- Hoe verlaagt het toevoegen van zout aan ijs het smeltpunt?
- AntwoordHet toevoegen van zout verstoort het evenwicht tussen het smelten en bevriezen van het ijs-watermengsel. Hierdoor smelt er meer ijs bij een lagere temperatuur dan normaal, waardoor het vriespunt van het mengsel effectief daalt.
- Waarom helpt zweten het lichaam af te koelen op een warme dag?
- AntwoordZweet ondergaat bij verdamping van de huid een faseovergang van vloeibaar naar gasvormig. Dit verdampingsproces vereist energie, die aan de huid wordt onttrokken, waardoor deze afkoelt.
- Wat is sublimatie in de context van faseovergangen?
- AntwoordSublimatie is de directe faseovergang van een vaste stof naar een gas zonder de vloeibare fase te doorlopen. Een bekend voorbeeld is droogijs (vast koolstofdioxide) dat direct overgaat in koolstofdioxidegas.
- Waarom is er warmte-energie nodig om ijs te smelten, ook al blijft de temperatuur op 0°C?
- AntwoordDe warmte-energie wordt gebruikt om de intermoleculaire bindingen te verbreken die het ijs in zijn vaste structuur bijeenhouden. Zodra deze bindingen verbroken zijn, gaat het ijs over in de vloeibare fase, ook al verandert de temperatuur niet.
- Welke invloed heeft druk op het kookpunt van een vloeistof?
- AntwoordOver het algemeen geldt dat een verhoging van de externe druk het kookpunt van een vloeistof verhoogt, terwijl een verlaging van de druk het kookpunt verlaagt. Daarom kookt water op grote hoogte, waar de atmosferische druk lager is, bij temperaturen lager dan 100 °C.
