Топлота и промена фазе – проблеми и решења
1. На основу графика, колика је топлота коју апсорбује 5 кг воде током процеса CD? Специфична топлота воде = 4,200 J/kg ° C.
Познато:
Маса (m) = 5 kg
Специфична топлота воде (c) = 4200 J/kg ° C
Почетна температура (T1 ) = 0 ° C
Коначна температура (T2 ) = 10 ° C
Промена температуре (ΔT) = 10 ° C – 0 ° C = 10 ° C
Тражи се: Топлота (Q)
Решење:
Q = mc ΔT = (5 kg)(4200 J/kg ° C)(10 ° C) = (5)(4200 J)(10) = (50)(4200 J) = 210,000 џула
2. Колика је топлота коју апсорбује 20 грама леда током процеса наизменичне струје, ако је специфична топлота леда 2100 J/kg o C, а топлота топљења леда 336,000 J/kg.
Познато:
Маса леда (m) = 200 грама = 200/1000 килограма = 0.2 килограма
Специфична топлота (c) = 2100 J/kg ° C
Топлота топљења леда (L F ) = 336,000 J/kg
Тражи се: Топлота коју лед апсорбује током процеса климатизације
Решење:
Током процеса AB, лед апсорбује топлоту да би променио своју температуру од -10 ° C до 0 ° C.
К = мц ΔТ
Q = топлота, m = маса леда, c = специфична топлота леда, ΔT = промена температуре
Q1 = mcΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = (0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 џула
Током процеса BC, 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 ° C.
Топлота апсорбована током процеса BC:
Q2 = mL F = (0.2 kg)(336,000 J/kg) = 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 је = 2.27 x 10⁶ J /kg, специфична топлота воде = 4,200 J/kg ° C и атмосферски притисак је 1 atm. Колика је топлота коју вода апсорбује током процеса BC?
Познато:
Маса (m) = 2 kg
Топлота испаравања воде (L V ) = 2.27 x 10 6 J/kg
Специфична топлота воде (c) = 4,200 J/kg ° C
Жељена: Топлота апсорбована током процеса BC.
Решење:
У процесу AB, топлота се апсорбује да би се температура воде повећала са 60 ° C на 100 ° C.
Q = m L V = (2 kg)(2.27 x 10 6 J/kg) = 4.54 x 10 6 џула = 4540 x 10 3 џула = 4540 килоџула
4. На основу доње слике, ако је маса леда 500 грама, специфична топлота је 2100 J/kg ° C, а латентна топлота топљења леда је 336,000 J/kg. Одредите 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 ° C
Латентна топлота топљења (L F ) = 336,000 J/kg
Тражи се: Врућина
Решење:
Процес PQ = топлота апсорбована да би се температура леда подигла са -4 ° C на 0 ° C
Процес 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:
К = (0.5 кг) (2100 Ј/кг о Ц) (0 о Ц-(-4 о Ц))
К = (0.5 кг) (2100 Ј/кг о Ц) (0 о Ц + 4 о Ц)
К = (0.5 кг) (2100 Ј/кг о Ц) (4 о Ц)
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 са -5 ° C у воду на 60 ° C. Ако је топлота топљења за лед 80 cal/грам, специфична топлота за лед је 0.5 cal/грам ° C, специфична топлота за воду је 1 cal/грам ° C, одредите топлоту потребну у процесу CD.
Познато:
Маса леда = маса воде (m) = 50 грама 
Латентна топлота топљења леда (L F ) = 80 калорија/грам
Специфична топлота за лед (c леда) = 0.5 cal/gram o C
Специфична топлота воде (c воде) = 1 cal/gram o C
Тражена топлота: Потребна топлота у процесу CD
Решење:
У процесима од А до Б, топлота се користи за подизање температуре леда са -5 ° C на 0 ° C. Топлота се израчунава помоћу ове једначине: Q = mc ΔT, где је Q = топлота, m = маса леда, c = специфична топлота за лед, ΔT = промена температуре од -5 ° C до 0 ° C.
У процесима од Б до Ц, топлота се користи за топљење целокупног леда у воду. У овом процесу, температура се 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 ° C до 60 ° C. Топлота се израчунава помоћу ове једначине: Q = mc ΔT, где је Q = топлота, m = маса воде, c = специфична топлота воде, ΔT = промена температуре од 0 ° C до 60 ° C.
Топлота потребна од процеса C до D:
Q = mc ΔT = (50 грама)(1 кал/грам ° C)(60 ° C - 0 ° C) = (50)(1)(60) кал = 3000 кал
6. Ако је маса леда 1 kg, специфична топлота леда је 2100 J/kg ° C, латентна топлота топљења леда је 336,000 J/kg и специфична топлота воде је 4200 J/kg ° C, онда одредити топлоту потребну у процесу PQR.
Познато:
Маса леда = 1 кг
Латентна топлота топљења леда (L F ) = 336,000 J/kg
Специфична топлота леда (c леда) = 2,100 J/kg ° C
Специфична топлота воде (c воде) = 4,200 J/kg ° C
Тражи се: Потребна топлота у процесу PQR
Решење:
У процесу од P до Q, топлота се користи за подизање температуре леда од -5 ° C до 0 ° C. Топлота се израчунава помоћу ове једначине: Q = mc ΔT, где је Q = топлота , m = маса леда , c = специфична топлота леда, ΔT = промена температуре од -5 ° C до 0 ° C.
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 је Q = топлота , m = маса леда , L F = латентна топлота топљења леда.
Топлота потребна у процесу од Q до R:
К = м Л Ф = (1)(336,000) = 336,000 џула
Укупна топлота:
10,500 + 336,000 = 346,500 џула
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
