Căldură și schimbare de fază – probleme și soluții

1. Pe baza graficului, care este căldura absorbită de 5 kg de apă în timpul procesului de dizolvare termică (CD)? Căldura specifică a apei = 4,200 J/kg ^° C.

Cunoscut: Căldură și schimbare de fază – probleme și soluții 1

Masă (m) = 5 kg

Căldura specifică a apei (c) = 4200 J/kg ^° C

Temperatura inițială (T1 ₎ = 0 ^° C

Temperatura finală (T2 ₎ = 10 ^° C

Variația de temperatură (ΔT) = 10 ^° C – 0 ^° C = 10 ^° C

Se caută: Căldură (Q)

soluţie:

Q = mc² ΔT = (5 kg)(4200 J/kg ^° C)(10 ^° C) = (5)(4200 J)(10°C) = (50)(4200 J) = 210,000 Jouli

2. Care este căldura absorbită de 20 de grame de gheață în timpul procesului de încălzire alternativă, dacă căldura specifică a gheții este de 2100 J/kg ^° C, iar căldura de topire pentru gheață este de 336,000 J/kg?

Căldură și schimbare de fază – probleme și soluții 2 Cunoscut:

Masa gheții (m) = 200 grame = 200/1000 kilograme = 0.2 kilograme

Căldură specifică (c) = 2100 J/kg ^° C

Căldura de topire pentru gheață (L _F ) = 336,000 J/kg

Căutat: Căldura absorbită de gheață în timpul procesului de climatizare

soluţie:

În timpul procesului AB, căldura este absorbită de gheață pentru a-i schimba temperatura de la -10 ^° C la 0 ^° C.

Q = mc ΔT

Q = căldură, m = masa gheții, c = căldura specifică a gheții, ΔT = schimbarea temperaturii

Q1 = mc ΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = ₍ 0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 Jouli

În timpul procesului BC, căldura este absorbită pentru a topi toată gheața și a o transforma în apă. În acest proces se schimbă doar faza, iar temperatura nu se modifică. Temperatura gheții și a apei rămâne la 0 ^° C.

Căldura absorbită în timpul procesului BC:

Q2 = m L _F = (0.2 kg)(336,000 J/kg) = 67,200 _Jouli

Căldura absorbită în timpul procesului de curent alternativ:

Q = _Q1 + Q2 ₌ 4200 Jouli + 67,200 Jouli = 71,400 Jouli

3. O cantitate de apă de 2 kg este încălzită, iar căldura de vaporizare pentru apă = 2.27 x 10⁶ ^J /kg, căldura specifică pentru apă = 4,200 J/kg ^° C și presiunea atmosferică este de 1 atm, care este căldura absorbită de apă în timpul procesului BC?

Cunoscut: Căldură și schimbare de fază – probleme și soluții 3

Masa (m) = 2 kg

Căldura de vaporizare a apei (L _V ) = 2.27 x 10⁶ ^J /kg

Căldura specifică pentru apă (c) = 4,200 J/kg ^° C

Cerință dorită: Căldura absorbită în timpul procesului BC.

soluţie:

În procesul AB, căldura este absorbită pentru a crește temperatura apei de la 60 ^° C la 100 ^° C.

Q = m L _V = (2 kg)(2.27 x 10⁶ ^J /kg) = 4.54 x 10⁶ ^Jouli = 4540 x 10⁶ ^Jouli = 4540 kilo Jouli

4. Pe baza figurii de mai jos, dacă masa gheții este de 500 de grame, căldura specifică este de 2100 J/kg ^° C, iar căldura latentă de topire a gheții este de 336,000 J/kg. Determinați căldura necesară în procesul P–Q–R.

Cunoscut: Căldură și schimbare de fază – probleme și soluții 5

Masa gheții (m) = 500 grame = 500/1000 kg = 0.5 kg

Căldura specifică pentru gheață (c) = 2100 J/kg ^° C

Căldura latentă de fuziune (L _F ) = 336,000 J/kg

Se caută: Căldură

soluţie:

Proces PQ = căldură absorbită pentru a crește temperatura gheții de la -4 ^° C la 0 ^° C

QR-ul procesului = căldura absorbită de gheață pentru a topi toată gheața în apă

Căldura absorbită în timpul procesului PQ calculată folosind ecuația:

Q = mc ΔT

Q = căldură, m = masă, c = căldura specifică a gheții, ΔT = schimbarea temperaturii

Căldura absorbită de gheață în timpul procesului PQ calculat folosind această ecuație:

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 Jouli

Căldura absorbită în timpul procesului QR calculat folosind această ecuație:

Q = m L _F

Q = (0.5 kg)(336,000 J/kg)

Q = (0.5)(336,000 J)

Q = 168,000 Jouli

Căldură totală:

Q = 4200 Jouli + 168,000 Jouli

Q = 172,200 Jouli

Q = 172.2 kilojoule

Q = 172.2 kJ

5. Gheață cu masa de 50 de grame încălzită de la -5 ^° C în apă la 60 ^° C. Dacă căldura de topire pentru gheață este de 80 cal/gram, căldura specifică pentru gheață este de 0.5 cal/gram ^° C, căldura specifică pentru apă este de 1 cal/gram ^° C, determinați căldura necesară în procesul CD.

Cunoscut:

Masa gheții = masa apei (m) = 50 grame Căldură și schimbare de fază – probleme și soluții 6

Căldura latentă de fuziune pentru gheață (L _F ) = 80 cal/gram

Căldura specifică pentru gheață (c ice) = 0.5 cal/gram ^° C

Căldura specifică a apei (c apă) = 1 cal/gram ^° C

Căldură necesară în procesul CD

soluţie:

În procesele de la A la B, căldura este utilizată pentru a crește temperatura gheții de la -5 ^° C la 0 ^° C. Căldura se calculează folosind următoarea ecuație: Q = mc⁻¹ ΔT, unde Q = căldură, m = masa gheții, c = căldura specifică pentru gheață, ΔT = schimbarea temperaturii de la -5 ^° C la 0 ^° C.

În procesele B până la C, căldura este utilizată pentru a topi toată gheața și a o transforma în apă. În acest proces, temperatura nu se modifică. Căldura se calculează folosind următoarea ecuație: Q = m L _F , unde Q = căldură, m = masa gheții, L _F = căldura latentă de fuziune a gheții.

În procesele de la C la D, căldura este utilizată pentru a crește temperatura apei de la 0 ^° C la 60 ^° C. Căldura se calculează folosind următoarea ecuație: Q = mc⁻¹ ΔT, unde Q = căldură, m = masa apei, c = căldura specifică a apei, ΔT = schimbarea temperaturii de la 0 ^° C la 60 ^° C.

Căldura necesară de la procesul C la procesul D:

Q = mc² ΔT = (50 grame)(1 cal/gram ^C )(60 ^° C - 0 ^° C) = (50)(1)(60) cal = 3000 cal

6. Dacă masa gheții este de 1 kg, căldura specifică a gheții este de 2100 J/kg ^° C, căldura latentă de fuziune pentru gheață este de 336,000 J/kg, iar căldura specifică a apei este de 4200 J/kg ^° C, atunci determinați căldura necesară în procesul PQR.

Cunoscut:

Masa gheții = 1 kg Căldură și schimbare de fază – probleme și soluții 7

Căldura latentă de topire a gheții (L _F ) = 336,000 J/kg

Căldura specifică a gheții (c gheață) = 2,100 J/kg ^° C

Căldura specifică a apei (c apă) = 4,200 J/kg ^° C

Căldură necesară în procesul PQR

soluţie:

În procesul de la P la Q, căldura este utilizată pentru a crește temperatura gheții de la -5 ^° C la 0 ^° C. Căldura se calculează folosind următoarea ecuație: Q = mc⁻¹ ΔT, unde Q = căldură , m = masa gheții , c = căldura specifică a gheții, ΔT = schimbarea temperaturii de la -5 ^° C la 0 ^° C.

Căldura necesară în procesul de la P la Q:

Q = mc² ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 Jouli

În procesul de la Q la R, căldura necesară pentru a topi toată gheața în apă. În acest proces, temperatura rămâne neschimbată. Căldura se calculează folosind următoarea ecuație: Q = m L _F , unde Q = căldură , m = masa gheții , L _F = căldura latentă de fuziune a gheții.

Căldura necesară în procesul Q până la R:

Q = m L _F = (1)(336,000) = 336,000 Jouli

Căldură totală:

10,500 + 336,000 = 346,500 Jouli

Ce este căldura latentă?
- RăspundeCăldura latentă este energia termică necesară pentru a schimba faza unei substanțe fără a-i modifica temperatura. Reprezintă energia necesară pentru a rupe sau a forma legături intermoleculare în timpul schimbărilor de fază.
De ce rămâne temperatura constantă în timpul unei schimbări de fază?
- RăspundeÎn timpul unei schimbări de fază, toată energia termică furnizată sau eliminată este utilizată pentru a schimba faza substanței. Această energie este utilizată pentru a rupe sau a forma legături intermoleculare, nu pentru a crește energia cinetică sau temperatura substanței.
Care este diferența dintre căldura latentă de fuziune și căldura latentă de vaporizare?
- RăspundeCăldura latentă de fuziune se referă la energia termică necesară pentru a transforma o substanță din solid în lichid (sau invers) la punctul său de topire. Căldura latentă de vaporizare se referă la energia termică necesară pentru a transforma o substanță din lichid în gaz (sau invers) la punctul său de fierbere.
De ce ne este frig când ieșim din piscină într-o zi cu vânt, chiar dacă temperatura aerului este caldă?
- RăspundePe măsură ce apa se evaporă de pe pielea noastră, aceasta trece printr-o schimbare de fază din lichid în vapori. Acest proces necesită energie, care este preluată din pielea noastră sub formă de căldură, ceea ce face ca pielea noastră să se simtă mai rece.
De ce este aburul la 100°C mai periculos decât apa clocotită la 100°C?
- RăspundeAburul conține mai multă energie decât apa clocotită, deoarece a absorbit căldura latentă de vaporizare în timpul schimbării de fază de la apă la abur. Când aburul se condensează pe piele, eliberează această energie suplimentară, provocând arsuri mai grave decât apa clocotită.
Cum scade adăugarea de sare la gheață punctul acesteia de topire?
- RăspundeAdăugarea de sare perturbă echilibrul dintre topirea și înghețarea amestecului de gheață și apă. Acest lucru face ca mai multă gheață să se topească la o temperatură mai scăzută decât de obicei, scăzând efectiv punctul de îngheț al amestecului.
De ce ajută transpirația să răcorească corpul într-o zi călduroasă?
- RăspundeTranspirația, atunci când se evaporă de pe piele, suferă o schimbare de fază din lichid în gaz. Acest proces de evaporare necesită energie, care este preluată din piele, răcind-o astfel.
Ce este sublimarea în contextul schimbărilor de fază?
- RăspundeSublimarea este schimbarea directă de fază de la solid la gaz fără a trece prin faza lichidă. Un exemplu comun este gheața carbonică (dioxid de carbon solid) care trece direct la dioxid de carbon gazos.
De ce este necesară energie termică pentru a topi gheața chiar dacă temperatura rămâne la 0°C?
- RăspundeEnergia termică este utilizată pentru a rupe legăturile intermoleculare care mențin gheața în structura sa solidă. Odată ce aceste legături sunt rupte, gheața trece în faza lichidă, chiar dacă nu există nicio modificare a temperaturii.
Cum afectează presiunea punctul de fierbere al unui lichid?

RăspundeÎn general, creșterea presiunii externe ridică punctul de fierbere al unui lichid, în timp ce scăderea presiunii îl scade. Acesta este motivul pentru care apa fierbe la temperaturi mai mici de 100°C la altitudini mari, unde presiunea atmosferică este mai mică.