Varme og faseendring – problemer og løsninger
1. Basert på grafen, hva er varmen som absorberes av 5 kg vann under CD-prosessen? Spesifikk varme for vann = 4,200 J/kg o C.
Kjent:
Masse (m²) = 5 kg
Vannens spesifikke varme (c) = 4200 J/kg o C
Starttemperatur (T1 ) = 0 ° C
Slutttemperatur (T2 ) = 10 ° C
Temperaturendringen (ΔT) = 10 ° C – 0 ° C = 10 ° C
Ønskes: Varme (Q)
løsning:
Q = mc ΔT = (5 kg)(4200 J/kg o C)(10 o C) = (5)(4200 J)(10) = (50)(4200 J) = 210 000 joule
2. Hva er varmen som absorberes av 20 gram is under vekselstrømsprosessen, hvis isens spesifikke varme er 2100 J/kg o C og smeltevarmen for is er 336 000 J/kg?
Kjent:
Ismasse (m) = 200 gram = 200/1000 kilogram = 0.2 kilogram
Spesifikk varme (c) = 2100 J/kg o C
Fusjonsvarme for is (L F ) = 336 000 J/kg
Ønskes: Varme absorbert av is under AC-prosessen
løsning:
Under prosess AB absorberes varme av isen for å endre temperaturen fra -10 ° C til 0 ° C.
Q = mc ΔT
Q = varme, m = isens masse, c = isens spesifikke varme, ΔT = temperaturendringen
Q1 = mc ΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = ( 0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 joule
Under BC-prosessen absorberes varme for å smelte all is til vann. I denne prosessen endres bare fase, og det er ingen temperaturendring. Is- og vanntemperaturen forblir 0 ° C.
Varmeabsorbert under prosessen BC:
Q² = m L F = (0.2 kg)(336 000 J/kg) = 67 200 joule
Varmeabsorbert under AC-prosessen:
Q = Q1 + Q2 = 4200 joule + 67 200 joule = 71 400 joule
3. 2 kg vann varmes opp, og fordampningsvarmen for vann = 2.27 x 10⁶ J /kg, spesifikk varme for vann = 4,200 J/kg oC og atmosfæretrykket er 1 atm. Hva er varmen som absorberes av vann under prosessen BC?
Kjent:
Masse (m²) = 2 kg
Fordampningsvarme for vann (L₁ /V ) = 2.27 x 10⁶ J /kg
Spesifikk varme for vann (c) = 4,200 J/kg o C
Ønsket: Varme absorbert under prosess BC.
løsning:
I prosess AB absorberes varme for å øke temperaturen på vannet fra 60 ° C til 100 ° C.
Q = m L V = (2 kg)(2.27 x 10⁶ J /kg) = 4.54 x 10⁶ Joule = 4540 x 10⁶ Joule = 4540 kilojoule
4. Basert på figuren nedenfor, hvis isens masse er 500 gram, er den spesifikke varmen 2100 J/kg o C og isens latente smeltevarme er 336 000 J/kg. Bestem varmen som kreves i prosessen P–Q–R.
Kjent:
Isens masse (m) = 500 gram = 500/1000 kg = 0.5 kg
Spesifikk varme for is (c) = 2100 J/kg o C
Latent smeltevarme (L F ) = 336 000 J/kg
Ønskes: Varme
løsning:
Prosess PQ = varmeabsorbert for å heve istemperaturen fra -4 ° C til 0 ° C
Prosess QR = varme som absorberes av isen for å smelte all isen til vann
Varmeabsorbert under prosess PQ beregnet ved hjelp av ligning:
Q = mc ΔT
Q = varme, m = masse, c = isens spesifikke varme, ΔT = temperaturendringen
Varmeabsorbert is under prosess PQ beregnet ved hjelp av denne ligningen:
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 = 760 400 joule
Varmeabsorbert under prosessen QR beregnet ved hjelp av denne ligningen:
Q = m L F
Q = (0.5 kg)(336 000 J/kg)
Q = (0.5)(336 000 J)
Q = 760 400 joule
Total varme:
Q = 4200 joule + 168 000 joule
Q = 760 400 joule
Q = 172.2 kilojoule
Q = 172.2 kJ
5. Is med en masse på 50 gram varmet opp fra -5 ° C til vann ved 60 ° C. Hvis smeltevarmen for is er 80 kcal/gram, spesifikk varme for is er 0.5 kcal/gram ° C, og spesifikk varme for vann er 1 kcal/gram ° C, bestem varmen som kreves i prosessen CD.
Kjent:
Ismasse = vannmasse (m) = 50 gram 
Latent smeltevarme for is (L F ) = 80 kalorier/gram
Spesifikk varme for is (c is) = 0.5 kcal/gram o C
Spesifikk varme for vann (c vann) = 1 kcal/gram o C
Ønskes: Varme kreves i prosess-CD
løsning:
I prosess A til B brukes varme til å heve temperaturen på isen fra -5 ° C til 0 ° C. Varme beregnes ved hjelp av denne ligningen: Q = mc₃ ΔT, hvor Q = varme, m = isens masse, c = spesifikk varme for is, ΔT = temperaturendringen fra -5 ° C til 0 ° C.
I prosess B til C brukes varme til å smelte all is til vann. I denne prosessen endres ikke temperaturen. Varme beregnes ved hjelp av denne ligningen: Q = m L F , hvor Q = varme, m = ismasse, L F = latent smeltevarme for is.
I prosess C til D brukes varme til å heve temperaturen på vannet fra 0 ° C til 60 ° C. Varme beregnes ved hjelp av denne ligningen: Q = mc₃ΔT, hvor Q = varme, m = massen av vann, c = spesifikk varme for vannet, ΔT = temperaturendringen fra 0 ° C til 60 ° C.
Varmen som kreves fra prosess C til D:
Q = mc ΔT = (50 gram)(1 kcal/gram o C)(60 o C - 0 o C) = (50)(1)(60) kcal = 3000 kcal
6. Hvis isens masse er 1 kg, isens spesifikke varme er 2100 J/kg o C, latent smeltevarme for is er 336 000 J/kg og vannens spesifikke varme er 4200 J/kg o C, bestem deretter varmen som kreves i prosessen PQR.
Kjent:
Ismasse = 1 kg
Latent smeltevarme for is (L F ) = 336 000 J/kg
Spesifikk varme for is (c is) = 2,100 J/kg o C
Spesifikk varme for vann (c vann) = 4,200 J/kg o C
Ønskes: Varme kreves i prosess PQR
løsning:
I prosessen P til Q brukes varme til å heve temperaturen på isen fra -5 ° C til 0 ° C. Varme beregnes ved hjelp av denne ligningen: Q = mc² ΔT, hvor Q = varme , m = isens masse , c = isens spesifikke varme, ΔT = temperaturendringen fra -5 ° C til 0 ° C.
Varmebehov i prosess P til Q:
Q = mc ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 joule
I prosessen Q til R, varmen som kreves for å smelte all is til vann. I denne prosessen er temperaturen uendret. Varme beregnet ved hjelp av denne ligningen: Q = mL/ F , hvor Q = varme , m = isens masse , L / F = latent smeltevarme for is.
Varme som kreves i prosess Q til R:
Q = m L F = (1)(336 000) = 336 000 Joule
Total varme:
10 500 + 336 000 = 346 500 joule
- Hva er latent varme?
- SvarLatent varme er varmeenergien som kreves for å endre fase til et stoff uten å endre temperaturen. Den representerer energien som trengs for å bryte eller danne intermolekylære bindinger under faseendringer.
- Hvorfor forblir temperaturen konstant under en faseendring?
- SvarUnder en faseendring brukes all varmeenergien som tilføres eller fjernes til å endre stoffets fase. Denne energien brukes til å bryte eller danne intermolekylære bindinger, ikke til å øke stoffets kinetiske energi eller temperatur.
- Hva er forskjellen mellom latent fusjonsvarme og latent fordampningsvarme?
- SvarLatent smeltevarme refererer til varmeenergien som kreves for å endre et stoff fra fast til flytende (eller omvendt) ved smeltepunktet. Latent fordampningsvarme refererer til varmeenergien som kreves for å endre et stoff fra flytende til gassformet (eller omvendt) ved kokepunktet.
- Hvorfor føler vi oss kalde når vi går ut av et svømmebasseng på en vindfull dag, selv om lufttemperaturen er varm?
- SvarNår vann fordamper fra huden vår, gjennomgår det en faseendring fra væske til damp. Denne prosessen krever energi, som tas fra huden vår i form av varme, noe som gjør at huden vår føles kjøligere.
- Hvorfor er damp ved 100 °C farligere enn kokende vann ved 100 °C?
- SvarDamp inneholder mer energi enn kokende vann fordi den har absorbert den latente fordampningsvarmen under faseovergangen fra vann til damp. Når damp kondenserer på huden, frigjør den denne ekstra energien, noe som forårsaker mer alvorlige brannskader enn kokende vann.
- Hvordan senker tilsetning av salt til is smeltepunktet?
- SvarTilsetning av salt forstyrrer likevekten mellom smeltingen og frysingen av is-vannblandingen. Dette fører til at mer is smelter ved en lavere temperatur enn vanlig, noe som effektivt senker frysepunktet til blandingen.
- Hvorfor hjelper svetting med å kjøle ned kroppen på en varm dag?
- SvarNår svette fordamper fra huden, gjennomgår den en faseendring fra væske til gass. Denne fordampningsprosessen krever energi, som tas fra huden, og dermed kjøles den ned.
- Hva er sublimering i sammenheng med faseendringer?
- SvarSublimering er den direkte faseovergangen fra et fast stoff til en gassform uten å passere gjennom væskefasen. Et vanlig eksempel er tørris (fast karbondioksid) som går direkte over til karbondioksidgass.
- Hvorfor kreves det varmeenergi for å smelte is selv om temperaturen holder seg på 0 °C?
- SvarVarmeenergien brukes til å bryte de intermolekylære bindingene som holder isen i sin faste struktur. Når disse bindingene er brutt, går isen over i flytende fase, selv om det ikke er noen temperaturendring.
- Hvordan påvirker trykk kokepunktet til en væske?
- SvarVanligvis øker en økning av det ytre trykket kokepunktet til en væske, mens en reduksjon av trykket senker kokepunktet. Dette er grunnen til at vann koker ved temperaturer lavere enn 100 °C i store høyder, der atmosfæretrykket er lavere.
