Värme och fasförändring – problem och lösningar

Värme och fasförändring – problem och lösningar

1. Baserat på grafen, hur mycket värme absorberas av 5 kg vatten under CD-processen? Vattnets specifika värme = 4 200 J/kg ^o C.

Känd:

Massa (m²) = 5 kg

Vattnets specifika värme (c) = 4200 J/kg ^o C

Initialtemperatur (T1 ₎ = 0 ^° C

Sluttemperatur (T2 ₎ = 10 ^° C

Temperaturförändringen (ΔT) = 10 ^° C – 0 ^° C = 10 ^° C

Önskas: Värme (Q)

lösning:

Q = mc ΔT = (5 kg)(4200 J/kg ^o C)(10 ^o C) = (5)(4200 J)(10) = (50)(4200 J) = 210 000 joule

2. Vilken värme absorberas av 20 gram is under växelströmsprocessen, om isens specifika värme är 2100 J/kg ^o C och isens smältvärme är 336 000 J/kg.

Känd:

Isens massa (m) = 200 gram = 200/1000 kilogram = 0.2 kilogram

Specifik värme (c) = 2100 J/kg ^o C

Smältvärme för is (L _F ) = 336 000 J/kg

Önskas: Värme absorberad av is under AC-processen

lösning:

Under process AB absorberas värme av isen för att ändra dess temperatur från -10 ^° C till 0 ^° C.

Q = mc ΔT

Q = värme, m = isens massa, c = isens specifika värme, ΔT = temperaturförändringen

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

Under BC-processen absorberas värme för att smälta all is till vatten. I denna process ändras endast fas och det sker ingen temperaturförändring. Isens och vattnets temperatur förblir 0 ^° C.

Värme absorberad under processen BC:

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

Värme absorberad under AC-processen:

Q = _Q1 + Q2 ₌ 4200 joule + 67 200 joule = 71 400 joule

3. 2 kg vatten värms upp, och förångningsvärmen för vatten = 2.27 x 10⁶ ^J /kg, specifik värme för vatten = 6 4,200 J/kg ^oC och atmosfärstrycket är 1 atm. Hur mycket värme absorberas av vattnet under processen BC?

Känd:

Massa (m²) = 2 kg

Förångningsvärme för vatten (L₁ _/V ) = 2.27 x ^10⁶ J/kg

Specifik värme för vatten (c) = 4 200 J/kg ^o C

Önskad: Värme absorberad under process BC.

lösning:

I process AB absorberas värme för att öka vattnets temperatur från 60 ^° C till 100 ^° C.

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

4. Baserat på figuren nedan, om isens massa är 500 gram, är den specifika värmen 2100 J/kg ^o C och isens latenta smältvärme 336 000 J/kg. Bestäm den värme som krävs i processen P–Q–R.

Känd:

Isens massa (m) = 500 gram = 500/1000 kg = 0.5 kg

Specifik värme för is (c) = 2100 J/kg ^o C

Latent smältvärme (L _F ) = 336 000 J/kg

Önskas: Värme

lösning:

Process PQ = värme absorberad för att höja istemperaturen från -4 ^° C till 0 ^° C

Process QR = värme som absorberas av isen för att smälta all is till vatten

Värme absorberad under processens PQ beräknad med ekvation:

Q = mc ΔT

Q = värme, m = massa, c = isens specifika värme, ΔT = temperaturförändringen

Värmeabsorberad is under process PQ beräknad med hjälp av denna ekvation:

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 joule

Värme absorberad under processens QR beräknad med hjälp av denna ekvation:

Q = m L _F

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

Q = (0.5)(336 000 J)

Q = 168,000 joule

Total värme:

Q = 4200 joule + 168 000 joule

Q = 172,200 joule

Q = 172.2 kilojoule

Q = 172.2 kJ

5. Is med en massa på 50 gram uppvärmd från -5 ^° C till vatten vid 60 ^° C. Om smältvärmen för is är 80 kcal/gram, specifik värme för is är 0.5 kcal/gram ^° C och specifik värme för vatten är 1 kcal/gram ^° C, bestäm värmen som krävs i processen CD.

Känd:

Isens massa = vattenmassa (m) = 50 gram

Latent smältvärme för is (L _F ) = 80 kcal/gram

Specifik värme för is (c is) = 0.5 kcal/gram ^o C

Specifik värme för vatten (c vatten) = 1 kcal/gram ^o C

Önskas: Värme krävs i process-CD

lösning:

I process A till B används värme för att höja isens temperatur från -5 ^° C till 0 ^° C. Värme beräknas med hjälp av följande ekvation: Q = mc₃ΔT, där Q = värme, m = isens massa, c = isens specifik värme, ΔT = temperaturförändringen från -5 ^° C till 0 ^° C.

I process B till C används värme för att smälta all is till vatten. I denna process ändras inte temperaturen. Värme beräknas med hjälp av denna ekvation: Q = m L _F , där Q = värme, m = isens massa, L _F = isens latenta smältvärme.

I process C till D används värme för att höja vattnets temperatur från 0 ^° C till 60 ^° C. Värme beräknas med hjälp av denna ekvation: Q = mc ΔT, där Q = värme, m = vattnets massa, c = vattnets specifika värme, ΔT = temperaturförändringen från 0 ^° C till 60 ^° C.

Värmen som krävs från process C till D:

Q = mc ΔT = (50 gram)(1 kcal/gram ^o C)(60 ^o C - 0 ^o C) = (50)(1)(60) kcal = 3000 kcal

6. Om isens massa är 1 kg, isens specifika värme är 2100 J/kg ^o C, isens latenta smältvärme är 336 000 J/kg och vattnets specifika värme är 4200 J/kg ^o C, bestäm då den värme som krävs i processen PQR.

Känd:

Isens massa = 1 kg

Latent smältvärme för is (L _F ) = 336 000 J/kg

Specifik isvärme (c is) = 2 100 J/kg ^o C

Vattnets specifika värme (c vatten) = 4 200 J/kg ^o C

Önskas: Värme behövs i process PQR

lösning:

I processen P till Q används värme för att höja isens temperatur från -5 ^° C till 0 ^° C. Värme beräknas med hjälp av denna ekvation: Q = mc² ΔT, där Q = värme , m = isens massa , c = isens specifika värme, ΔT = temperaturförändringen från -5 ^° C till 0 ^° C.

Värme som krävs i process P till Q:

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

I processen Q till R, den värme som krävs för att smälta all is till vatten. I denna process är temperaturen oförändrad. Värme beräknad med hjälp av denna ekvation: Q = mL/ _F , där Q = värme , m = isens massa , L / _F = isens latenta smältvärme.

Värme som krävs i process Q till R:

Q = m L _F = (1)(336 000) = 336 000 joule

Total värme:

10,500 + 336 000 = 346 500 joule

1. Vad är latent värme?
   • SvarLatent värme är den värmeenergi som krävs för att ändra fasen hos ett ämne utan att ändra dess temperatur. Det representerar den energi som behövs för att bryta eller bilda intermolekylära bindningar under fasförändringar.
2. Varför förblir temperaturen konstant under en fasförändring?
   • SvarUnder en fasförändring används all värmeenergi som tillförs eller avlägsnas för att ändra ämnets fas. Denna energi används för att bryta eller bilda intermolekylära bindningar, inte för att öka ämnets kinetiska energi eller temperatur.
3. Vad är skillnaden mellan latent smältvärme och latent förångningsvärme?
   • SvarLatent smältvärme avser den värmeenergi som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande (eller vice versa) vid dess smältpunkt. Latent förångningsvärme avser den värmeenergi som krävs för att omvandla ett ämne från flytande till gasform (eller vice versa) vid dess kokpunkt.
4. Varför fryser vi när vi går upp ur en simbassäng en blåsig dag, även om lufttemperaturen är varm?
   • SvarNär vatten avdunstar från vår hud genomgår det en fasförändring från vätska till ånga. Denna process kräver energi, som tas från vår hud i form av värme, vilket gör att vår hud känns svalare.
5. Varför är ånga vid 100°C farligare än kokande vatten vid 100°C?
   • SvarÅnga innehåller mer energi än kokande vatten eftersom den har absorberat den latenta värmen från förångningen under fasövergången från vatten till ånga. När ånga kondenserar på huden frigör den denna extra energi, vilket orsakar allvarligare brännskador än kokande vatten.
6. Hur sänker tillsats av salt till is dess smältpunkt?
   • SvarTillsats av salt stör jämvikten mellan smältning och frysning av is-vattenblandningen. Detta gör att mer is smälter vid en lägre temperatur än vanligt, vilket effektivt sänker blandningens fryspunkt.
7. Varför hjälper svettning att kyla ner kroppen på en varm dag?
   • SvarNär svett avdunstar från huden genomgår den en fasförändring från vätska till gas. Denna avdunstningsprocess kräver energi, som tas från huden och därmed kyler den.
8. Vad är sublimering i samband med fasförändringar?
   • SvarSublimering är den direkta fasövergången från ett fast ämne till en gasform utan att passera genom vätskefasen. Ett vanligt exempel är torris (fast koldioxid) som övergår direkt till koldioxidgas.
9. Varför krävs värmeenergi för att smälta is trots att temperaturen förblir vid 0°C?
   • SvarVärmeenergin används för att bryta de intermolekylära bindningarna som håller isen i sin fasta struktur. När dessa bindningar bryts övergår isen till flytande fas, även om det inte sker någon temperaturförändring.
10. Hur påverkar tryck kokpunkten för en vätska?

• SvarGenerellt sett höjer en ökning av det yttre trycket kokpunkten för en vätska, medan en minskning av trycket sänker kokpunkten. Det är därför vatten kokar vid temperaturer lägre än 100 °C på höga höjder, där atmosfärstrycket är lägre.