Joto na mabadiliko ya awamu - matatizo na suluhisho

Joto na mabadiliko ya awamu - matatizo na suluhisho

1. Kulingana na grafu, ni joto gani linalofyonzwa na maji ya kilo 5 wakati wa mchakato wa CD? Joto maalum la maji = 4,200 J/kg ^o C.

Inajulikana:

Uzito (m) = kilo 5

Joto maalum la maji (c) = 4200 J/kg ^o C

Halijoto ya awali (T1 ₎ = 0 ^o C

Halijoto ya mwisho (T2 ₎ = 10 ^° C

Mabadiliko ya halijoto (ΔT) = 10 ^° C – 0 ^° C = 10 ^° C

Inayohitajika: Joto (Q)

Suluhisho:

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

2. Je, ni joto gani linalofyonzwa na gramu 20 za barafu wakati wa mchakato wa AC, ikiwa joto maalum la barafu ni 2100 J/kg ^o C na joto la muunganiko wa barafu ni 336,000 J/kg.

Inajulikana:

Uzito wa barafu (m) = gramu 200 = kilo 200/1000 = kilo 0.2

Joto maalum (c) = 2100 J/kg ^o C

Joto la muunganiko wa barafu (LF ₎ = 336,000 J/kg

Inahitajika: Joto linalofyonzwa na barafu wakati wa mchakato wa AC

Suluhisho:

Wakati wa mchakato wa AB, joto hufyonzwa na barafu ili kubadilisha halijoto yake kutoka -10 ^o C hadi 0 ^o C.

Q = mc ΔT

Q = joto, m = uzito wa barafu, c = joto maalum la barafu, ΔT = mabadiliko ya halijoto

Swali la ₁ = mc ΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = (0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 Jouli

Wakati wa mchakato wa BC, joto hufyonzwa ili kuyeyusha barafu yote kuwa maji. Katika mchakato huu hubadilika tu katika awamu na hakuna mabadiliko katika halijoto. Halijoto ya barafu na maji hubaki 0 ^° C.

Joto hufyonzwa wakati wa mchakato BC:

Q ₂ = m L _F = (kilo 0.2)(336,000 J/kg) = Jouli 67,200

Joto hufyonzwa wakati wa mchakato wa AC:

Swali = Swali la ₁ + Swali la ₂ = Jouli 4200 + Jouli 67,200 = Jouli 71,400

3. Maji ya kilo 2 hupashwa joto, na joto la uvukizi kwa maji = 2.27 x 10 ⁶ J/kg, joto maalum kwa maji = 4,200 J/kg ^o C na shinikizo la angahewa ni 1 atm, joto gani hufyonzwa na maji wakati wa mchakato wa BC?

Inajulikana:

Uzito (m) = kilo 2

Joto la uvukizi kwa maji (L _V ) = 2.27 x 10 ⁶ J/kg

Joto maalum kwa maji (c) = 4,200 J/kg ^o C

Inayohitajika: Joto hufyonzwa wakati wa mchakato BC.

Suluhisho:

Katika mchakato wa AB, joto hufyonzwa ili kuongeza halijoto ya maji kutoka 60 ^° C hadi 100 ^° C.

Q = m L _V = (kilo 2)(2.27 x 10 ⁶ J/kg) = 4.54 x 10 ⁶ Jouli = 4540 x 10 ³ Jouli = kilo 4540 Jouli

4. Kulingana na mchoro ulio hapa chini, ikiwa uzito wa barafu ni gramu 500, joto maalum ni 2100 J/kg ^oC na joto fiche la muunganiko wa barafu ni 336,000 J/kg. Amua joto linalohitajika katika mchakato P–Q–R.

Inajulikana:

Uzito wa barafu (m) = gramu 500 = 500/1000 kg = 0.5 kg

Joto maalum kwa barafu (c) = 2100 J/kg ^o C

Joto fiche la muunganiko (LF ₎ = 336,000 J/kg

Inayohitajika: Joto

Suluhisho:

Mchakato wa PQ = joto linalofyonzwa ili kuongeza halijoto ya barafu kutoka -4 ^° C hadi 0 ^° C

Mchakato QR = joto linalofyonzwa na barafu ili kuyeyusha barafu yote ndani ya maji

Joto linalofyonzwa wakati wa mchakato wa PQ huhesabiwa kwa kutumia mlinganyo:

Q = mc ΔT

Q = joto, m = uzito, c = joto maalum la barafu, ΔT = mabadiliko ya halijoto

Barafu iliyofyonzwa na joto wakati wa mchakato wa PQ imehesabiwa kwa kutumia mlinganyo huu:

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 = Jouli 4200

Joto linalofyonzwa wakati wa mchakato wa QR huhesabiwa kwa kutumia mlinganyo huu:

Q = m L _F

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

Q = (0.5)(336,000 J)

Q = Jouli 168,000

Joto lote:

Q = Jouli 4200 + Jouli 168,000

Q = Jouli 172,200

Q = kilo 172.2 Joule

Q = 172.2 kJ

5. Barafu yenye uzito wa gramu 50 iliyowashwa kutoka -5 ^° C hadi kwenye maji kwa nyuzi joto 60 ^° C. Ikiwa joto la mchanganyiko wa barafu ni kalori 80/gramu, joto maalum kwa barafu ni kalori 0.5/gramu ^au Celsius, joto maalum kwa maji ni kalori 1/gramu ^au Celsius, tambua joto linalohitajika katika mchakato wa CD.

Inajulikana:

Uzito wa barafu = uzito wa maji (m) = gramu 50

Joto fiche la muunganiko wa barafu (LF ₎ = kalori 80/gramu

Joto maalum kwa barafu (c barafu) = 0.5 cal/gramu ^o C

Joto maalum kwa maji (c maji) = 1 cal/gramu ^o C

Inahitajika: Joto linahitajika katika CD ya mchakato

Suluhisho:

Katika mchakato A hadi B, joto hutumika kuongeza halijoto ya barafu kutoka -5 ^° C hadi 0 ^° C. Joto huhesabiwa kwa kutumia mlinganyo huu: Q = mc ΔT, ambapo Q = joto, m = uzito wa barafu, c = joto maalum kwa barafu, ΔT = mabadiliko ya halijoto kutoka -5 ^° C hadi 0 ^° C.

Katika mchakato B hadi C, joto hutumika kuyeyusha barafu yote kuwa maji. Katika mchakato huu, halijoto haibadilishwi. Joto huhesabiwa kwa kutumia mlinganyo huu: Q = m L _F , ambapo Q = joto, m = uzito wa barafu, L _F = joto fiche la muunganiko wa barafu.

Katika mchakato C hadi D, joto hutumika kuongeza halijoto ya maji kutoka 0 ^° C hadi 60 ^° C. Joto huhesabiwa kwa kutumia mlinganyo huu: Q = mc ΔT, ambapo Q = joto, m = uzito wa maji, c = joto maalum la maji, ΔT = mabadiliko ya halijoto kutoka 0 ^° C hadi 60 ^° C.

Joto linalohitajika kutoka mchakato C hadi D:

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

6. Ikiwa uzito wa barafu ni kilo 1, joto maalum la barafu ni 2100 J/kg ^oC , joto fiche la muunganiko wa barafu ni 336,000 J/kg na joto maalum la maji ni 4200 J/kg ^oC , kisha amua joto linalohitajika katika mchakato wa PQR.

Inajulikana:

Uzito wa barafu = kilo 1

Joto fiche la muunganiko wa barafu (LF ₎ = 336,000 J/kg

Joto maalum la barafu (c barafu) = 2,100 J/kg ^o C

Joto maalum la maji (c maji) = 4,200 J/kg ^o C

Inahitajika: Joto linahitajika katika mchakato wa PQR

Suluhisho:

Katika mchakato P hadi Q, joto hutumika kuongeza halijoto ya barafu kutoka -5 ^° C hadi 0 ^° C. Joto huhesabiwa kwa kutumia mlinganyo huu: Q = mc ΔT, ambapo Q = joto , m = uzito wa barafu , c = joto maalum la barafu, ΔT = mabadiliko ya halijoto kutoka -5 ^° C hadi 0 ^° C.

Joto linalohitajika katika mchakato P hadi Q:

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

Katika mchakato Q hadi R, joto linalohitajika kuyeyusha barafu yote kuwa maji. Katika mchakato huu, halijoto haibadiliki. Joto huhesabiwa kwa kutumia mlinganyo huu: Q = m L _F , ambapo Q = joto , m = uzito wa barafu , L _F = joto fiche la muunganiko wa barafu.

Joto linalohitajika katika mchakato Q hadi R:

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

Joto lote:

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

1. Joto fiche ni nini?
   • Jibu: Joto fiche ni nishati ya joto inayohitajika kubadilisha awamu ya dutu bila kubadilisha halijoto yake. Inawakilisha nishati inayohitajika kuvunja au kuunda vifungo vya kati ya molekuli wakati wa mabadiliko ya awamu.
2. Kwa nini halijoto hubaki sawa wakati wa mabadiliko ya awamu?
   • Jibu: Wakati wa mabadiliko ya awamu, nishati yote ya joto inayotolewa au kuondolewa hutumika kubadilisha awamu ya dutu hii. Nishati hii hutumika kuvunja au kuunda vifungo vya kati ya molekuli, si kuongeza nishati ya kinetiki au halijoto ya dutu hii.
3. Kuna tofauti gani kati ya joto fiche la muunganiko na joto fiche la mvuke?
   • Jibu: Joto fiche la muunganiko linamaanisha nishati ya joto inayohitajika kubadilisha dutu kutoka kigumu hadi kimiminika (au kinyume chake) katika kiwango chake cha kuyeyuka. Joto fiche la mvuke linamaanisha nishati ya joto inayohitajika kubadilisha dutu kutoka kimiminika hadi gesi (au kinyume chake) katika kiwango chake cha kuchemka.
4. Kwa nini tunahisi baridi tunapotoka kwenye bwawa la kuogelea siku yenye upepo, hata kama halijoto ya hewa ni ya joto?
   • Jibu: Maji yanapovukiza kutoka kwenye ngozi yetu, hupitia mabadiliko ya awamu kutoka kwa kimiminika hadi mvuke. Mchakato huu unahitaji nishati, ambayo huchukuliwa kutoka kwenye ngozi yetu kwa njia ya joto, na kusababisha ngozi yetu kuhisi baridi zaidi.
5. Kwa nini mvuke kwenye 100°C ni hatari zaidi kuliko maji yanayochemka kwenye 100°C?
   • Jibu: Mvuke una nishati zaidi kuliko maji yanayochemka kwa sababu umefyonza joto lililofichwa la uvukizi wakati wa mabadiliko ya awamu kutoka kwa maji hadi mvuke. Mvuke unapoganda kwenye ngozi, hutoa nishati hii ya ziada, na kusababisha kuungua kali zaidi kuliko maji yanayochemka.
6. Kuongeza chumvi kwenye barafu hupunguzaje kiwango chake cha kuyeyuka?
   • JibuKuongeza chumvi huvuruga usawa kati ya kuyeyuka na kugandisha kwa mchanganyiko wa barafu na maji. Hii husababisha barafu zaidi kuyeyuka kwenye halijoto ya chini kuliko kawaida, na hivyo kupunguza kwa ufanisi kiwango cha kugandisha cha mchanganyiko.
7. Kwa nini kutokwa na jasho husaidia kupoza mwili siku ya joto?
   • Jibu: Jasho, linapovukizwa kutoka kwenye ngozi, hupitia mabadiliko ya awamu kutoka kioevu hadi gesi. Mchakato huu wa uvukizi unahitaji nishati, ambayo huchukuliwa kutoka kwenye ngozi, na hivyo kuipoza.
8. Usablimishaji ni nini katika muktadha wa mabadiliko ya awamu?
   • Jibu: Usablimishaji ni mabadiliko ya awamu ya moja kwa moja kutoka kwa kitu kigumu hadi gesi bila kupita katika awamu ya kimiminika. Mfano wa kawaida ni barafu kavu (kaboni dioksidi dhabiti) inayobadilika moja kwa moja kuwa gesi ya kaboni dioksidi.
9. Kwa nini nishati ya joto inahitajika kuyeyusha barafu ingawa halijoto inabaki kwenye 0°C?
   • Jibu: Nishati ya joto hutumika kuvunja vifungo vya kati ya molekuli vinavyoshikilia barafu katika muundo wake imara. Mara vifungo hivi vinapovunjika, barafu hubadilika hadi awamu ya kimiminika, ingawa hakuna mabadiliko katika halijoto.
10. Shinikizo huathiri vipi kiwango cha kuchemsha cha kioevu?

• JibuKwa ujumla, kuongeza shinikizo la nje huongeza kiwango cha mchemko wa kioevu, huku kupunguza shinikizo hupunguza kiwango cha mchemko. Hii ndiyo sababu maji huchemka kwenye halijoto iliyo chini ya 100°C kwenye mwinuko wa juu, ambapo shinikizo la angahewa ni la chini.