Teplo a zmena skupenstva – problémy a riešenia
1. Na základe grafu určte, aké teplo absorbuje 5 kg vody počas procesu CD? Merná tepelná kapacita vody = 4 200 J/kg ° C.
Známe:
Hmotnosť (m) = 5 kg
Merná tepelná kapacita vody (c) = 4200 J/kg ° C
Počiatočná teplota (T1 ) = 0 ° C
Konečná teplota (T2 ) = 10 ° C
Zmena teploty (ΔT) = 10 ° C – 0 ° C = 10 ° C
Hľadá sa: Teplo (Q)
riešenie:
Q = mc ΔT = (5 kg)(4200 J/kg ° C)(10 ° C) = (5)(4200 J)(10) = (50)(4200 J) = 210 000 Joulov
2. Aké teplo absorbuje 20 gramov ľadu počas procesu striedavého tepla, ak merná tepelná kapacita ľadu je 2100 J/kg ° C a teplo topenia ľadu je 336 000 J/kg.
Známe:
Hmotnosť ľadu (m) = 200 gramov = 200/1000 kilogramov = 0.2 kilogramu
Merná tepelná kapacita (c) = 2100 J/kg ° C
Teplo topenia ľadu (L F ) = 336 000 J/kg
Hľadané: Teplo absorbované ľadom počas procesu striedavého prúdenia
riešenie:
Počas procesu AB je teplo absorbované ľadom, čím sa mení jeho teplota z -10 ° C na 0 ° C.
Q = mcΔT
Q = teplo, m = hmotnosť ľadu, c = merné teplo ľadu, ΔT = zmena teploty
Q1 = mcΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = (0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 Joulov
Počas procesu BC sa teplo absorbuje na roztavenie všetkého ľadu na vodu. Pri tomto procese sa mení iba fáza a nedochádza k žiadnej zmene teploty. Teplota ľadu a vody zostáva 0 ° C.
Teplo absorbované počas procesu BC:
Q2 = mL F = (0.2 kg)(336 000 J/kg) = 67 200 Joulov
Teplo absorbované počas procesu striedavého prúdu:
Q = Q1 + Q2 = 4200 joulov + 67 200 joulov = 71 400 joulov
3. Voda s hmotnosťou 2 kg sa zahrieva, pričom výparné teplo vody je 2.27 x 10⁶ J /kg, merné teplo vody = 6 4,200 J/kg ° C a atmosférický tlak je 1 atm. Aké teplo absorbuje voda počas procesu BC?
Známe:
Hmotnosť (m) = 2 kg
Výparné teplo vody (L V ) = 2.27 x 10 6 J/kg
Merná tepelná kapacita vody (c) = 4 200 J/kg ° C
Požadované: Teplo absorbované počas procesu BC.
riešenie:
V procese AB sa teplo absorbuje na zvýšenie teploty vody zo 60 ° C na 100 ° C.
Q = m L V = (2 kg)(2.27 x 10⁶ J /kg) = 4.54 x 10⁶ Joulov = 4540 x 10⁶ Joulov = 4540 kilojoulov
4. Na základe obrázku nižšie, ak je hmotnosť ľadu 500 gramov, merné teplo je 2100 J/kg ° C a skupenské teplo topenia ľadu je 336 000 J/kg. Určte teplo potrebné v procese P–Q–R.
Známe:
Hmotnosť ľadu (m) = 500 gramov = 500/1000 kg = 0.5 kg
Merná tepelná kapacita ľadu (c) = 2100 J/kg ° C
Latentné teplo topenia (LF ) = 336 000 J/kg
Hľadá sa: Teplo
riešenie:
Proces PQ = teplo absorbované na zvýšenie teploty ľadu z -4 ° C na 0 ° C
Proces QR = teplo absorbované ľadom na roztavenie všetkého ľadu na vodu
Teplo absorbované počas procesu PQ vypočítané pomocou rovnice:
Q = mcΔT
Q = teplo, m = hmotnosť, c = merné teplo ľadu, ΔT = zmena teploty
Teplo absorbované ľadom počas procesu PQ vypočítané pomocou tejto rovnice:
Q = (0.5 kg) (2100 J/kg o C) (0 o C-(-4 o C))
Q = (0.5 kg) (2 100 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 Joulov
Teplo absorbované počas procesu QR vypočítané pomocou tejto rovnice:
Q = m L F
Q = (0.5 kg)(336 000 J/kg)
Q = (0.5)(336 000 J)
Q = 168,000 Joulov
Celkové teplo:
Q = 4200 joulov + 168 000 joulov
Q = 172,200 Joulov
Q = 172.2 kilojoulov
Q = 172.2 kJ
5. Ľad s hmotnosťou 50 gramov zahriaty z teploty -5 ° C do vody s teplotou 60 ° C. Ak je teplo topenia ľadu 80 kal/gram, merné teplo ľadu je 0.5 kal/gram ° C a merné teplo vody je 1 kal/gram ° C, určte teplo potrebné v procese CD.
Známe:
Hmotnosť ľadu = hmotnosť vody (m) = 50 gramov 
Latentné teplo topenia ľadu (LF ) = 80 kalórií/gram
Merná tepelná kapacita ľadu (c ľadu) = 0.5 cal/gram ° C
Merná tepelná kapacita vody (c vody) = 1 cal/gram ° C
Požadované: Teplo potrebné v procese CD
riešenie:
V procese A až B sa teplo používa na zvýšenie teploty ľadu z -5 ° C na 0 ° C. Teplo sa vypočíta pomocou tejto rovnice: Q = mc ΔT, kde Q = teplo, m = hmotnosť ľadu, c = merné teplo ľadu, ΔT = zmena teploty z -5 ° C na 0 ° C.
V procesoch B až C sa teplo využíva na roztavenie všetkého ľadu na vodu. V tomto procese sa teplota nemení. Teplo sa vypočíta pomocou tejto rovnice: Q = m L F , kde Q = teplo, m = hmotnosť ľadu, L F = skupenské teplo topenia ľadu.
V procese C až D sa teplo používa na zvýšenie teploty vody z 0 ° C na 60 ° C. Teplo sa vypočíta pomocou tejto rovnice: Q = mc ΔT, kde Q = teplo, m = hmotnosť vody, c = merné teplo vody, ΔT = zmena teploty z 0 ° C na 60 ° C.
Teplo potrebné z procesu C do D:
Q = mc ΔT = (50 gramov)(1 kal/gram ° C)(60 ° C - 0 ° C) = (50)(1)(60) kal = 3000 kal
6. Ak je hmotnosť ľadu 1 kg, merné teplo ľadu je 2100 J/kg ° C, skupenské teplo topenia ľadu je 336 000 J/kg a merné teplo vody je 4200 J/kg ° C, potom určte teplo potrebné v procese PQR.
Známe:
Hmotnosť ľadu = 1 kg
Latentné teplo topenia ľadu (LF ) = 336 000 J/kg
Merná tepelná kapacita ľadu (c ľadu) = 2 100 J/kg ° C
Merná tepelná kapacita vody (c vody) = 4 200 J/kg ° C
Požadované: Teplo potrebné v procese PQR
riešenie:
V procese P až Q sa teplo používa na zvýšenie teploty ľadu z -5 ° C na 0 ° C. Teplo sa vypočíta pomocou tejto rovnice: Q = mc ΔT, kde Q = teplo , m = hmotnosť ľadu , c = merné teplo ľadu, ΔT = zmena teploty z -5 ° C na 0 ° C.
Teplo potrebné v procese P až Q:
Q = mc ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 Joulov
V procese Q až R je teplo potrebné na roztavenie všetkého ľadu na vodu. V tomto procese sa teplota nemení. Teplo sa vypočíta pomocou tejto rovnice: Q = m L F , kde Q = teplo , m = hmotnosť ľadu , L F = skupenské teplo topenia ľadu.
Teplo potrebné v procese Q až R:
Q = m L F = (1) (336 000) = 336 000 joulov
Celkové teplo:
10,500 + 336 000 = 346 500 joulov
- Čo je latentné teplo?
- OdpoveďLatentné teplo je tepelná energia potrebná na zmenu skupenstva látky bez zmeny jej teploty. Predstavuje energiu potrebnú na prerušenie alebo vytvorenie medzimolekulových väzieb počas zmien skupenstva.
- Prečo zostáva teplota počas fázovej zmeny konštantná?
- OdpoveďPočas fázovej zmeny sa všetka dodaná alebo odobratá tepelná energia použije na zmenu fázy látky. Táto energia sa použije na prerušenie alebo vytvorenie medzimolekulových väzieb, nie na zvýšenie kinetickej energie alebo teploty látky.
- Aký je rozdiel medzi latentným teplom topenia a latentným teplom odparovania?
- OdpoveďLatentné teplo topenia sa vzťahuje na tepelnú energiu potrebnú na premenu látky z pevného stavu na kvapalný (alebo naopak) v bode topenia. Latentné teplo odparovania sa vzťahuje na tepelnú energiu potrebnú na premenu látky z kvapalného stavu na plynný (alebo naopak) v bode varu.
- Prečo nám je zima, keď vyjdeme z bazéna vo veterný deň, aj keď je teplota vzduchu teplá?
- OdpoveďKeď sa voda z našej pokožky odparuje, prechádza jej skupenstvom z kvapaliny na paru. Tento proces si vyžaduje energiu, ktorá sa odoberá z našej pokožky vo forme tepla, vďaka čomu je naša pokožka chladnejšia.
- Prečo je para pri 100 °C nebezpečnejšia ako vriaca voda pri 100 °C?
- OdpoveďPara obsahuje viac energie ako vriaca voda, pretože absorbovala latentné teplo vyparovania počas fázovej premeny z vody na paru. Keď para kondenzuje na pokožke, uvoľňuje túto extra energiu a spôsobuje vážnejšie popáleniny ako vriaca voda.
- Ako pridanie soli do ľadu znižuje jeho bod topenia?
- OdpoveďPridanie soli narúša rovnováhu medzi topením a tuhnutím zmesi ľadu a vody. To spôsobuje, že sa topí viac ľadu pri nižšej teplote ako zvyčajne, čím sa efektívne znižuje bod tuhnutia zmesi.
- Prečo potenie pomáha ochladiť telo v horúcom dni?
- OdpoveďPot sa pri odparovaní z pokožky mení z kvapaliny na plyn. Tento proces odparovania si vyžaduje energiu, ktorá sa odoberá pokožke, čím sa ochladzuje.
- Čo je sublimácia v kontexte fázových zmien?
- OdpoveďSublimácia je priama fázová zmena z pevnej látky na plynnú bez prechodu cez kvapalnú fázu. Bežným príkladom je suchý ľad (pevný oxid uhličitý), ktorý sa priamo mení na plynný oxid uhličitý.
- Prečo je na roztopenie ľadu potrebná tepelná energia, aj keď teplota zostáva na 0 °C?
- OdpoveďTepelná energia sa využíva na prerušenie medzimolekulárnych väzieb, ktoré držia ľad v jeho pevnej štruktúre. Po prerušení týchto väzieb ľad prechádza do kvapalnej fázy, aj keď nedochádza k žiadnej zmene teploty.
- Ako tlak ovplyvňuje bod varu kvapaliny?
- OdpoveďVo všeobecnosti zvýšenie vonkajšieho tlaku zvyšuje bod varu kvapaliny, zatiaľ čo zníženie tlaku bod varu znižuje. Preto voda vrie pri teplotách nižších ako 100 °C vo vysokých nadmorských výškach, kde je atmosférický tlak nižší.
