Ciepło i zmiana fazy – problemy i rozwiązania
1. Na podstawie wykresu, jakie ciepło pochłania 5 kg wody podczas procesu CD? Ciepło właściwe wody = 4,200 J/kg o C.
Znany:
Masa (m) = 5 kg
Ciepło właściwe wody (c) = 4200 J/kg o C
Temperatura początkowa (T 1 ) = 0 o C
Temperatura końcowa (T 2 ) = 10 o C
Zmiana temperatury (ΔT) = 10 o C – 0 o C = 10 o C
Poszukiwany: Heat (Q)
rozwiązanie:
Q = mc ΔT = (5 kg)(4200 J/kg o C)(10 o C) = (5)(4200 J)(10) = (50)(4200 J) = 210 000 dżuli
2. Jakie ciepło pochłania 20 gramów lodu podczas procesu prądu przemiennego, jeśli ciepło właściwe lodu wynosi 2100 J/kg o C, a ciepło topnienia lodu wynosi 336 000 J/kg.
Znany:
Masa lodu (m) = 200 gramów = 200/1000 kilogramów = 0.2 kilograma
Ciepło właściwe (c) = 2100 J/kg o C
Ciepło topnienia lodu (L F ) = 336 000 J/kg
Poszukiwane: Ciepło absorbowane przez lód podczas procesu klimatyzacji
rozwiązanie:
Podczas procesu AB ciepło jest absorbowane przez lód, co powoduje zmianę jego temperatury z -10 o C do 0 o C.
Q = mc ΔT
Q = ciepło, m = masa lodu, c = ciepło właściwe lodu, ΔT = zmiana temperatury
Q 1 = mc ΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = (0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 dżuli
Podczas procesu BC ciepło jest absorbowane, co powoduje stopienie całego lodu w wodę. W tym procesie następuje jedynie zmiana fazy, a temperatura pozostaje bez zmian. Temperatura lodu i wody utrzymuje się na poziomie 0 ° C.
Ciepło pochłonięte podczas procesu BC:
Q 2 = m L F = (0.2 kg) (336 000 J/kg) = 67 200 dżuli
Ciepło pochłaniane podczas procesu AC:
Q = Q 1 + Q 2 = 4200 dżuli + 67 200 dżuli = 71 400 dżuli
3. Ogrzewa się 2 kg wody, ciepło parowania wody wynosi 2.27 x 106 J /kg, ciepło właściwe wody wynosi 4,200 J/kg o C, a ciśnienie atmosferyczne wynosi 1 atm. Jakie ciepło pochłania woda w trakcie procesu BC?
Znany:
Masa (m) = 2 kg
Ciepło parowania wody (L V ) = 2.27 x 10 6 J/kg
Ciepło właściwe wody (c) = 4,200 J/kg o C
Poszukiwane: Ciepło absorbowane podczas procesu BC.
rozwiązanie:
W procesie AB ciepło jest absorbowane w celu podniesienia temperatury wody z 60 o C do 100 o C.
Q = m L V = (2 kg)(2.27 x 10 6 J/kg) = 4.54 x 10 6 dżuli = 4540 x 10 3 dżuli = 4540 kilodżuli
4. Na podstawie poniższego rysunku, jeśli masa lodu wynosi 500 gramów, ciepło właściwe wynosi 2100 J/kg o C, a ciepło topnienia lodu wynosi 336 000 J/kg. Określ ciepło potrzebne do procesu P–Q–R.
Znany:
Masa lodu (m) = 500 gramów = 500/1000 kg = 0.5 kg
Ciepło właściwe lodu (c) = 2100 J/kg o C
Ciepło topnienia (L F ) = 336 000 J/kg
Poszukiwany: Heat
rozwiązanie:
Proces PQ = ciepło absorbowane w celu podniesienia temperatury lodu z -4 o C do 0 o C
Proces QR = ciepło absorbowane przez lód w celu stopienia całego lodu w wodę
Ciepło pochłonięte w procesie PQ oblicza się przy użyciu równania:
Q = mc ΔT
Q = ciepło, m = masa, c = ciepło właściwe lodu, ΔT = zmiana temperatury
Ciepło pochłonięte przez lód podczas procesu PQ oblicza się przy użyciu następującego równania:
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 = 525 000 dżuli
Ciepło pochłonięte w trakcie procesu QR oblicza się przy użyciu następującego równania:
Q = m L F
Q = (0.5 kg)(336 000 J/kg)
Q = (0.5)(336 000 J)
Q = 525 000 dżuli
Całkowite ciepło:
Q = 4200 dżuli + 168 000 dżuli
Q = 525 000 dżuli
Q = 172.2 kilodżula
Q = 172.2 kJ
5. Lód o masie 50 gramów ogrzano od temperatury -5 o C do temperatury wody 60 o C. Jeśli ciepło topnienia lodu wynosi 80 kal/gram, ciepło właściwe lodu wynosi 0.5 kal/gram o C, a ciepło właściwe wody wynosi 1 kal/gram o C, określ ciepło potrzebne do przeprowadzenia procesu CD.
Znany:
Masa lodu = masa wody (m) = 50 gramów 
Ciepło topnienia lodu (L F ) = 80 kalorii/gram
Ciepło właściwe lodu (c ice) = 0.5 kal/gram o C
Ciepło właściwe wody (c wody) = 1 cal/gram o C
Poszukiwane: ciepło potrzebne w procesie CD
rozwiązanie:
W procesie A do B ciepło jest wykorzystywane do podniesienia temperatury lodu z -5 o C do 0 o C. Ciepło oblicza się za pomocą następującego równania: Q = mc ΔT, gdzie Q = ciepło, m = masa lodu, c = ciepło właściwe lodu, ΔT = zmiana temperatury od -5 o C do 0 o C.
W procesach od B do C ciepło jest wykorzystywane do stopienia całego lodu w wodę. W tym procesie temperatura nie ulega zmianie. Ciepło oblicza się za pomocą następującego równania: Q = m L F , gdzie Q = ciepło, m = masa lodu, L F = ciepło topnienia lodu.
W procesie C do D ciepło jest wykorzystywane do podniesienia temperatury wody od 0 o C do 60 o C. Ciepło oblicza się za pomocą następującego równania: Q = mc ΔT, gdzie Q = ciepło, m = masa wody, c = ciepło właściwe wody, ΔT = zmiana temperatury od 0 o C do 60 o C.
Ciepło potrzebne do przejścia z procesu C do D:
Q = mc ΔT = (50 gramów)(1 kal/gram o C)(60 o C-0 o C) = (50)(1)(60) kal = 3000 kal
6. Jeśli masa lodu wynosi 1 kg, ciepło właściwe lodu wynosi 2100 J/kg o C, ciepło topnienia lodu wynosi 336 000 J/kg, a ciepło właściwe wody wynosi 4200 J/kg o C, określ ciepło potrzebne do przeprowadzenia procesu PQR.
Znany:
Masa lodu = 1 kg
Ciepło topnienia lodu (L F ) = 336 000 J/kg
Ciepło właściwe lodu (c ice) = 2,100 J/kg o C
Ciepło właściwe wody (c wody) = 4,200 J/kg o C
Poszukiwane: ciepło potrzebne w procesie PQR
rozwiązanie:
W procesie P do Q ciepło jest wykorzystywane do podniesienia temperatury lodu od -5 o C do 0 o C. Ciepło oblicza się za pomocą następującego równania: Q = mc ΔT, gdzie Q = ciepło , m = masa lodu , c = ciepło właściwe lodu, ΔT = zmiana temperatury od -5 o C do 0 o C.
Ciepło potrzebne w procesie P do Q:
Q = mc ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 dżuli
W procesie Q do R ciepło potrzebne do stopienia całego lodu w wodę. W tym procesie temperatura pozostaje niezmieniona. Ciepło oblicza się za pomocą następującego równania: Q = m L F , gdzie Q = ciepło topnienia , m = masa lodu , L F = ciepło topnienia lodu.
Ciepło potrzebne w procesie Q do R:
Q = m L F = (1)(336 000) = 336 000 dżuli
Całkowite ciepło:
10 500 + 336 000 = 346 500 dżuli
- Czym jest ciepło utajone?
- Odpowiedź:Ciepło utajone to energia cieplna potrzebna do zmiany fazy substancji bez zmiany jej temperatury. Reprezentuje energię potrzebną do rozerwania lub utworzenia wiązań międzycząsteczkowych podczas zmian fazy.
- Dlaczego podczas zmiany fazy temperatura pozostaje stała?
- OdpowiedźPodczas zmiany fazy cała dostarczona lub pobrana energia cieplna jest wykorzystywana do zmiany fazy substancji. Energia ta służy do rozbijania lub tworzenia wiązań międzycząsteczkowych, a nie do zwiększania energii kinetycznej lub temperatury substancji.
- Jaka jest różnica między ciepłem topnienia a ciepłem parowania?
- OdpowiedźCiepło topnienia to energia cieplna potrzebna do przemiany substancji ze stanu stałego w ciekły (lub odwrotnie) w temperaturze topnienia. Ciepło parowania to energia cieplna potrzebna do przemiany substancji ze stanu ciekłego w gazowy (lub odwrotnie) w temperaturze wrzenia.
- Dlaczego odczuwamy zimno, gdy wychodzimy z basenu w wietrzny dzień, nawet jeśli temperatura powietrza jest ciepła?
- Odpowiedź:W miarę parowania wody ze skóry, przechodzi ona przemianę fazową ze stanu ciekłego w parowy. Proces ten wymaga energii, która jest pobierana ze skóry w postaci ciepła, dzięki czemu skóra staje się chłodniejsza.
- Dlaczego para wodna w temperaturze 100°C jest bardziej niebezpieczna niż wrząca woda w temperaturze 100°C?
- OdpowiedźPara wodna zawiera więcej energii niż wrząca woda, ponieważ pochłonęła ciepło parowania podczas przemiany fazowej wody w parę. Kiedy para wodna skrapla się na skórze, uwalnia tę dodatkową energię, powodując poważniejsze oparzenia niż wrząca woda.
- W jaki sposób dodanie soli do lodu obniża jego temperaturę topnienia?
- OdpowiedźDodanie soli zaburza równowagę między topnieniem a zamarzaniem mieszaniny lodu i wody. Powoduje to stopienie większej ilości lodu w niższej temperaturze niż zwykle, co skutecznie obniża temperaturę zamarzania mieszaniny.
- Dlaczego pocenie się pomaga schłodzić ciało w upalny dzień?
- OdpowiedźPot, parując ze skóry, przechodzi przemianę fazową ze stanu ciekłego w gazowy. Ten proces parowania wymaga energii, która jest pobierana ze skóry, chłodząc ją.
- Czym jest sublimacja w kontekście zmian fazowych?
- OdpowiedźSublimacja to bezpośrednia przemiana fazowa ze stanu stałego w gazowy, z pominięciem fazy ciekłej. Typowym przykładem jest suchy lód (stały dwutlenek węgla) przechodzący bezpośrednio w dwutlenek węgla w stanie gazowym.
- Dlaczego do stopienia lodu potrzebna jest energia cieplna, skoro temperatura utrzymuje się na poziomie 0°C?
- OdpowiedźEnergia cieplna jest wykorzystywana do rozbicia wiązań międzycząsteczkowych utrzymujących lód w stałej strukturze. Po rozbiciu tych wiązań lód przechodzi w fazę ciekłą, mimo że temperatura nie ulega zmianie.
- Jak ciśnienie wpływa na temperaturę wrzenia cieczy?
- Odpowiedź:Zwykle wzrost ciśnienia zewnętrznego podnosi temperaturę wrzenia cieczy, a spadek ciśnienia obniża ją. Dlatego woda wrze w temperaturach poniżej 100°C na dużych wysokościach, gdzie ciśnienie atmosferyczne jest niższe.
