Топлота и промена фазе – проблеми и решења

Топлота и промена фазе – проблеми и решења

1. На основу графикона, шта је топлота апсорбује 5 кг воде током процеса CD? Специфична топлота воде = 4,200 Ј/кг ^oC.

Познато:

Маса (m) = 5 kg

Специфична топлота воде (c) = 4200 J/kg ^oC

Почетна температура (T₁) = КСНУМКС ^oC

Коначна температура (T₂) = КСНУМКС ^oC

Промена температуре (ΔT) = 10 ^oЦ - 0 ^oЦ = КСНУМКС ^oC

Тражи се: Топлота (Q)

Решење:

Q = mc ΔT = (5 kg)(4200 J/kg ^oЦ)(10 ^oЦ) = (5)(4200 Ј)(10) = (50)(4200 Ј) = 210,000 џула

2. Колика је топлота коју апсорбује 20 грама леда током процеса наизменичне струје, ако је специфична топлота леда 2100 J/kg? ^oC, а топлота топљења леда је 336,000 J/kg.

Познато:

Маса леда (m) = 200 грама = 200/1000 килограма = 0.2 килограма

Специфична топлота (c) = 2100 J/kg ^oC

Топлота топљења за лед (L_F) = 336,000 Ј/кг

Трази се: Топлота коју лед апсорбује током процеса наизменичне струје

Решење:

Током процеса AB, лед апсорбује топлоту да би променио своју температуру од -10^oЦ до КСНУМКС^oC.

К = мц ΔТ

Q = топлота, m = маса леда, c = специфична топлота леда, ΔT = промена температуре

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

Током БЦ процеса, топлота се апсорбује да би се сав лед отопио у воду. У овом процесу се мења само фаза и нема промене температуре. Температура леда и воде остаје 0^oC.

Топлота апсорбована током процеса BC:

Q₂ = m L_F = (0.2 кг)(336,000 Ј/кг) = 67,200 џула

Топлота апсорбована током процеса наизменичне струје:

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

3. Вода масе 2 кг се загрева, а топлота испаравања воде = 2.27 x 10⁶ Ј/кг, специфична топлота воде = 4,200 Ј/кг ^oC и атмосферски притисак је 1 атм, колика је топлота коју вода апсорбује током процеса BC?

Познато:

Маса (m) = 2 kg

Топлота испаравања воде (L_V) = 2.27 к 10⁶ Ј/кг

Специфична топлота воде (c) = 4,200 J/kg ^oC

Тражи се: Топлота апсорбована током БЦ процеса.

Решење:

У процесу AB, топлота се апсорбује да би се температура воде повећала са 60^oЦ до КСНУМКС^oC.

Q = m L_V = (2 кг)(2.27 x 10⁶ Ј/кг) = 4.54 x 10⁶ Џул = 4540 x 10³ Џул = 4540 килоџула

4. На основу слике испод, ако је маса леда 500 грама, специфична топлота је 2100 J/kg ^oC, а латентна топлота топљења леда је 336,000 J/kg. Одредити топлоту потребну у процесу P–Q–R.

Познато:

Маса леда (m) = 500 грама = 500/1000 kg = 0.5 kg

Специфична топлота за лед (c) = 2100 J/kg ^oC

Латентна топлота фузије (Л)_F) = 336,000 Ј/кг

Тражи се: Топлота

Решење:

Pроцесс PQ = топлота апсорбована за подизање температуре леда од -4^oЦ до КСНУМКС^oC

Pроцесс QR = топлота коју лед апсорбује да би отопио сав лед у воду

Топлота апсорбована током процеса PQ израчуната помоћу једначине:

К = мц ΔТ

Q = топлота, m = маса, c = специфична топлота леда, ΔT = промена температуре

Топлота апсорбована ледом током процеса PQ израчуната помоћу ове једначине:

Q = (0.5 кг)(2100 Ј/кг ^oЦ)(0^oC-(-4^oЦ))

Q = (0.5 кг)(2100 Ј/кг ^oЦ)(0^oЦ+4^oC)

Q = (0.5 кг)(2100 Ј/кг ^oЦ)(4^oC)

Q = (0.5)(2100 Ј)(4)

Q = 4200 џула

Топлота апсорбована током процеса QR израчуната помоћу ове једначине:

Q = m L _F

Q = (0.5 кг)(336,000 Ј/кг)

Q = (0.5)(336,000 Ј)

Q = 168,000 џула

Укупна топлота:

Q = 4200 џула + 168,000 џула

Q = 172,200 џула

Q = 172.2 килоџула

К = 172.2 кЈ

5. Лед масе 50 грама загрејан од -5^oC у воду на 60^oC. Ако је топлота топљења леда 80 кал/грам, специфична топлота леда је 0.5 кал/грам ^oC, специфична топлота воде је 1 cal/gram ^oC, одредити топлоту потребну у процесу CD.

Познато:

Маса леда = маса воде (m) = 50 грама

Латентна топлота топљења за лед (L_F) = 80 калорија/грам

Специфична топлота за лед (c леда) = 0.5 кал/грам ^oC

Специфична топлота воде (c воде) = 1 cal/грам ^oC

Трази се: Топлота потребна у CD процесу

Решење:

У процесима од А до Б, топлота се користи за подизање температуре леда од -5^oЦ до КСНУМКС^oC. Топлота израчуната помоћу ове једначине: Q = mc ΔT, где је Q = топлота, m = маса леда, c = специфична топлота за лед, ΔT = промена температуре од -5^oЦ до КСНУМКС^oC.

У процесима од Б до Ц, топлота се користи за топљење целокупног леда у воду. У овом процесу се температура не мења. Топлота се израчунава помоћу ове једначине: Q = m L_F, где је Q = топлота, m = маса леда, L_F = латентна топлота топљења леда.

У процесима од C до D, топлота се користи за подизање температуре воде од 0^oЦ до КСНУМКС^oC. Топлота израчуната помоћу ове једначине: Q = mc ΔT, где је Q = топлота, m = маса воде, c = специфична топлота воде, ΔT = промена температуре од 0^oЦ до КСНУМКС^oC.

Топлота потребна од процеса C до D:

Q = mc ΔT = (50 грама)(1 кал/грам ^oЦ)(60^oЦ-КСНУМКС^oC) = (50)(1)(60) кал = 3000 кал

6. Ако је маса леда 1 кг, специфична топлота леда је 2100 Ј/кг^oC, латентна топлота топљења леда је 336,000 J/kg, а специфична топлота воде је 4200 J/kg^oC, затим одредити потребну топлоту у процесу PQR.

Познато:

Маса леда = 1 кг

Латентна топлота топљења леда (L_F) = 336,000 Ј/кг

Специфична топлота леда (c леда) = 2,100 J/kg^oC

Специфична топлота воде (c воде) = 4,200 J/kg^oC

Трази се: Топлота потребна у процесу PQR

Решење:

У процесима од P до Q, топлота се користи за подизање температуре леда од -5^oЦ до КСНУМКС^oC. Топлота израчуната помоћу ове једначине: Q = mc ΔT, где је К = топлота, m = маса од леда, ц = специфична топлота леда, ΔT = промена температуре од -5^oC до 0^oC.

Топлота потребна у процесу од P до Q:

Q = mc ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 џула

У процесу од Q до R, топлота потребна за топљење целокупног леда у воду. У овом процесу, температура се не мења. Топлота се израчунава помоћу ове једначине: Q = m L_F, где К = топлота, m = маса од леда, Л_F = латентна топлота топљења леда.

Топлота потребна у процесу од Q до R:

Q = m L_F = (1)(336,000) = 336,000 џула

Укупна топлота:

10,500 + 336,000 = 346,500 џула

1. Шта је латентна топлота?
   • одговорЛатентна топлота је топлотна енергија потребна за промену фазе супстанце без промене њене температуре. Она представља енергију потребну за кидање или формирање интермолекуларних веза током фазних промена.
2. Зашто температура остаје константна током фазне промене?
   • одговорТоком фазне промене, сва топлотна енергија која се даје или одводи користи се за промену фазе супстанце. Ова енергија се користи за кидање или формирање интермолекуларних веза, а не за повећање кинетичке енергије или температуре супстанце.
3. Која је разлика између латентне топлоте топљења и латентне топлоте испаравања?
   • одговорЛатентна топлота топљења односи се на топлотну енергију потребну за прелазак супстанце из чврстог у течно стање (или обрнуто) на њеној тачки топљења. Латентна топлота испаравања односи се на топлотну енергију потребну за прелазак супстанце из течности у гас (или обрнуто) на њеној тачки кључања.
4. Зашто нам је хладно када изађемо из базена по ветровитом дану, чак и ако је температура ваздуха топла?
   • одговорКако вода испарава са наше коже, она прелази из течности у пару. Овај процес захтева енергију, која се узима из наше коже у облику топлоте, због чега је наша кожа хладнија.
5. Зашто је пара на 100°C опаснија од кључале воде на 100°C?
   • одговорПара садржи више енергије од кључале воде јер је апсорбовала латентну топлоту испаравања током фазне промене из воде у пару. Када се пара кондензује на кожи, она ослобађа ову додатну енергију, узрокујући теже опекотине него кључала вода.
6. Како додавање соли леду смањује његову тачку топљења?
   • одговорДодавање соли ремети равнотежу између топљења и смрзавања смеше леда и воде. То доводи до топљења више леда на нижој температури него обично, ефикасно снижавајући тачку смрзавања смеше.
7. Зашто знојење помаже у хлађењу тела током врућег дана?
   • одговорЗној, када испарава са коже, прелази из течности у гас. Овај процес испаравања захтева енергију која се узима из коже, чиме се она хлади.
8. Шта је сублимација у контексту фазних промена?
   • одговорСублимација је директна фазна промена из чврстог у гасовито стање без проласка кроз течну фазу. Уобичајени пример је суви лед (чврсти угљен-диоксид) који директно прелази у гасовити угљен-диоксид.
9. Зашто је потребна топлотна енергија за топљење леда чак и ако температура остаје на 0°C?
   • одговорТоплотна енергија се користи за прекидање међумолекуларних веза које држе лед у његовој чврстој структури. Када се ове везе прекину, лед прелази у течну фазу, иако нема промене температуре.
10. Како притисак утиче на тачку кључања течности?

• одговорГенерално, повећање спољашњег притиска подиже тачку кључања течности, док смањење притиска снижава тачку кључања. Због тога вода кључа на температурама нижим од 100°C на великим надморским висинама, где је атмосферски притисак нижи.