ความร้อนและการเปลี่ยนสถานะ – ปัญหาและแนวทางแก้ไข

ความร้อนและการเปลี่ยนสถานะ – ปัญหาและแนวทางแก้ไข

1. จากกราฟ จงหาปริมาณความร้อนที่น้ำ 5 กิโลกรัมดูดซับในระหว่างกระบวนการ CD ค่าความร้อนจำเพาะของน้ำ = 4,200 J/kg ^° C

เป็นที่รู้จัก :

มวล (ม.) = 5 กก.

ความร้อนจำเพาะของน้ำ (c) = 4200 J/kg ^° C

อุณหภูมิเริ่มต้น (T ₁ ) = 0 ^o C

อุณหภูมิสุดท้าย (T ₂ ) = 10 ^o C

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

ต้องการ:ความร้อน (Q)

วิธีการแก้ปัญหา:

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

2. ความร้อนที่น้ำแข็ง 20 กรัมดูดซับระหว่างกระบวนการ AC คือเท่าใด ถ้าความจุความร้อนจำเพาะของน้ำแข็งคือ 2100 J/kg ^° C และความร้อนของการหลอมเหลวของน้ำแข็งคือ 336,000 J/kg

เป็นที่รู้จัก :

มวลของน้ำแข็ง (m) = 200 กรัม = 200/1000 กิโลกรัม = 0.2 กิโลกรัม

ความร้อนจำเพาะ (c) = 2100 J/kg ^° C

ความร้อนของการหลอมเหลวของน้ำแข็ง (L _F ) = 336,000 J/kg

ต้องการทราบ:ปริมาณความร้อนที่น้ำแข็งดูดซับระหว่างกระบวนการปรับอากาศ

วิธีการแก้ปัญหา:

ในกระบวนการ AB ความร้อนจะถูกดูดซับโดยน้ำแข็ง ทำให้อุณหภูมิของน้ำแข็งเปลี่ยนจาก -10 ^องศาเซลเซียส เป็น 0 ^องศาเซลเซียส

Q = mc ΔT

Q = ความร้อน, m = มวลของน้ำแข็ง, c = ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำแข็ง, ΔT = การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

Q ₁ = mc ΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = (0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 จูล

ในกระบวนการ BC ความร้อนจะถูกดูดซับเพื่อละลายน้ำแข็งทั้งหมดให้กลายเป็นน้ำในกระบวนการนี้จะมีการเปลี่ยนแปลงเฉพาะสถานะเท่านั้น อุณหภูมิจะไม่เปลี่ยนแปลง อุณหภูมิของน้ำแข็งและน้ำยังคงอยู่ที่ 0 ^องศาเซลเซียส

ความร้อนที่ดูดซับระหว่างกระบวนการ BC:

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

ปริมาณความร้อนที่ดูดซับระหว่างกระบวนการปรับอากาศ:

Q = Q ₁ + Q ₂ = 4200 จูล + 67,200 จูล = 71,400 จูล

3. น้ำ 2 กิโลกรัมถูกทำให้ร้อน โดยความร้อนของการระเหยของน้ำเท่ากับ 2.27 x 10⁶ ^J /kg ความร้อนจำเพาะของน้ำเท่ากับ 4,200 J/kg ^° C และความดันบรรยากาศเท่ากับ 1 atm จงหาปริมาณความร้อนที่น้ำดูดซับในระหว่างกระบวนการ BC

เป็นที่รู้จัก :

มวล (ม.) = 2 กก.

ความร้อนของการระเหยของน้ำ (L _V ) = 2.27 x 10 ⁶ J/kg

ความร้อนจำเพาะของน้ำ (c) = 4,200 J/kg ^° C

ต้องการทราบ:ปริมาณความร้อนที่ถูกดูดซับระหว่างกระบวนการ BC

วิธีการแก้ปัญหา:

ในกระบวนการ AB ความร้อนจะถูกดูดซับเพื่อเพิ่มอุณหภูมิของน้ำจาก 60 ^องศาเซลเซียสเป็น 100 ^องศาเซลเซียส

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

4. จากรูปด้านล่าง ถ้ามวลของน้ำแข็งเท่ากับ 500 กรัม ความร้อนจำเพาะเท่ากับ 2100 J/kg ^° C และความร้อนแฝงของการหลอมเหลวของน้ำแข็งเท่ากับ 336,000 J/kg จงคำนวณหาความร้อนที่จำเป็นในกระบวนการ P–Q–R

เป็นที่รู้จัก :

มวลของน้ำแข็ง (m) = 500 กรัม = 500/1000 กิโลกรัม = 0.5 กิโลกรัม

ความร้อนจำเพาะของน้ำแข็ง (c) = 2100 J/kg ^° C

ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว (L _F ) = 336,000 J/kg

ต้องการ:ความร้อน

วิธีการแก้ปัญหา:

กระบวนการPQ = ความร้อนที่ดูดซับเพื่อเพิ่มอุณหภูมิของน้ำแข็งจาก -4 ^องศาเซลเซียส เป็น 0 ^องศาเซลเซียส

กระบวนการQR = ความร้อนที่น้ำแข็งดูดซับเพื่อละลายน้ำแข็งทั้งหมดให้กลายเป็นน้ำ

ปริมาณความร้อนที่ดูดซับระหว่างกระบวนการ PQ คำนวณโดยใช้สมการ:

Q = mc ΔT

Q = ความร้อน, m = มวล, c = ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำแข็ง, ΔT = การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

ความร้อนที่ดูดซับในน้ำแข็งระหว่างกระบวนการคำนวณค่า PQ โดยใช้สมการนี้:

Q = (0.5 กก.)(2100 จูล/กก. ^o C)(0 ^o C-(-4 ^o C))

Q = (0.5 กก.)(2100 จูล/กก. ^o C)(0 ^o C + 4 ^o C)

Q = (0.5 กก.)(2100 จูล/กก. ^o C)(4 ^o C)

Q = (0.5)(2100 J)(4)

Q = 4200 จูล

ปริมาณความร้อนที่ดูดซับระหว่างกระบวนการ QR คำนวณโดยใช้สมการนี้:

Q = m L _F

Q = (0.5 กก.)(336,000 จูล/กก.)

Q = (0.5)(336,000 J)

Q = 168,000 จูล

ความร้อนรวม:

Q = 4200 จูล + 168,000 จูล

Q = 172,200 จูล

Q = 172.2 กิโลจูล

Q = 172.2 กิโลจูล

5. น้ำแข็งมวล 50 กรัม ถูกให้ความร้อนจาก -5 ^องศาเซลเซียส ลงในน้ำที่อุณหภูมิ 60 ^องศาเซลเซียส ถ้าความร้อนของการหลอมเหลวของน้ำแข็งคือ 80 แคลอรี/กรัม ความร้อนจำเพาะของน้ำแข็งคือ 0.5 แคลอรี/กรัม^° C และความร้อนจำเพาะของน้ำคือ 1 แคลอรี/กรัม^° C จงคำนวณหาปริมาณความร้อนที่ต้องการในกระบวนการ CD

เป็นที่รู้จัก :

มวลของน้ำแข็ง = มวลของน้ำ (m) = 50 กรัม

ความร้อนแฝงของการหลอมเหลวของน้ำแข็ง (L _F ) = 80 แคลอรี/กรัม

ความร้อนจำเพาะของน้ำแข็ง (c ice) = 0.5 แคลอรี/กรัม^° C

ความร้อนจำเพาะของน้ำ (c น้ำ) = 1 แคลอรี/กรัม^° C

ต้องการ:ความร้อนที่จำเป็นในกระบวนการผลิตซีดี

วิธีการแก้ปัญหา:

ในกระบวนการ A ถึง B ความร้อนถูกใช้เพื่อเพิ่มอุณหภูมิของน้ำแข็งจาก -5 ^องศาเซลเซียส เป็น 0 ^องศาเซลเซียส ความร้อนคำนวณได้จากสมการนี้: Q = mc ΔT โดยที่ Q = ความร้อน, m = มวลของน้ำแข็ง, c = ความร้อนจำเพาะของน้ำแข็ง, ΔT = การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจาก -5 ^องศาเซลเซียส เป็น 0 ^องศาเซลเซียส

ในกระบวนการ B ถึง C ความร้อนถูกใช้ในการละลายน้ำแข็งทั้งหมดให้กลายเป็นน้ำ ในกระบวนการนี้ อุณหภูมิจะไม่เปลี่ยนแปลง ความร้อนคำนวณได้จากสมการนี้: Q = m L _Fโดยที่ Q = ความร้อน, m = มวลของน้ำแข็ง, L _F = ความร้อนแฝงของการหลอมเหลวของน้ำแข็ง

ในกระบวนการ C ถึง D ความร้อนถูกใช้เพื่อเพิ่มอุณหภูมิของน้ำจาก 0 ^องศาเซลเซียสเป็น 60 ^องศาเซลเซียส ความร้อนคำนวณได้จากสมการนี้: Q = mc ΔT โดยที่ Q = ความร้อน, m = มวลของน้ำ, c = ความร้อนจำเพาะของน้ำ, ΔT = การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจาก 0 ^องศาเซลเซียสเป็น 60 ^องศาเซลเซียส

ปริมาณความร้อนที่จำเป็นจากกระบวนการ C ถึง D :

Q = mc ΔT = (50 กรัม)(1 แคลอรี/กรัม^° C)(60 ^° C-0 ^° C) = (50)(1)(60) แคลอรี = 3000 แคลอรี

6. ถ้ามวลของน้ำแข็งคือ 1 กิโลกรัม ความร้อนจำเพาะของน้ำแข็งคือ 2100 J/kg ^° C ความร้อนแฝงของการหลอมเหลวของน้ำแข็งคือ 336,000 J/kg และความร้อนจำเพาะของน้ำคือ 4200 J/kg ^° C จงคำนวณหาปริมาณความร้อนที่จำเป็นในกระบวนการ PQR

เป็นที่รู้จัก :

มวลของน้ำแข็ง = 1 กิโลกรัม

ความร้อนแฝงของการหลอมเหลวของน้ำแข็ง (L _F ) = 336,000 J/kg

ความร้อนจำเพาะของน้ำแข็ง (c ice) = 2,100 J/kg ^° C

ความร้อนจำเพาะของน้ำ (c น้ำ) = 4,200 จูล/กก. ^° C

ต้องการ:ความร้อนที่จำเป็นในกระบวนการ PQR

วิธีการแก้ปัญหา:

ในกระบวนการ P ถึง Q ความร้อนถูกใช้เพื่อเพิ่มอุณหภูมิของน้ำแข็งจาก -5 ^องศาเซลเซียส เป็น 0 ^องศาเซลเซียส ความร้อนคำนวณได้จากสมการนี้: Q = mc ΔT โดยที่Q = ความร้อน, m = มวลของน้ำแข็ง, c = ความร้อนจำเพาะของน้ำแข็ง, ΔT = การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจาก-5 ^องศาเซลเซียสเป็น0 ^องศาเซลเซียส

ปริมาณความร้อนที่จำเป็นในกระบวนการ P ถึง Q :

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

ในกระบวนการ Q ถึง R ความร้อนที่จำเป็นในการละลายน้ำแข็งทั้งหมดให้กลายเป็นน้ำ ในกระบวนการนี้ อุณหภูมิจะไม่เปลี่ยนแปลง ความร้อนคำนวณได้จากสมการนี้: Q = m L _Fโดยที่Q = ความร้อน, m = มวลของน้ำแข็ง, L _F = ความร้อนแฝงของการหลอมเหลวของน้ำแข็ง

ปริมาณความร้อนที่จำเป็นในกระบวนการ Q ถึง R :

Q = ม. L _F = (1)(336,000) = 336,000 จูล

ความร้อนรวม:

10,500 + 336,000 = 346,500 จูล

1. ความร้อนแฝงคืออะไร?
   • คำตอบความร้อนแฝง คือ พลังงานความร้อนที่จำเป็นในการเปลี่ยนสถานะของสารโดยไม่เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ มันแสดงถึงพลังงานที่จำเป็นในการทำลายหรือสร้างพันธะระหว่างโมเลกุลในระหว่างการเปลี่ยนแปลงสถานะ
2. เหตุใดอุณหภูมิจึงคงที่ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงสถานะ?
   • คำตอบในระหว่างการเปลี่ยนแปลงสถานะ พลังงานความร้อนทั้งหมดที่ได้รับหรือถูกดึงออกไปจะถูกนำไปใช้ในการเปลี่ยนแปลงสถานะของสาร พลังงานนี้ถูกนำไปใช้ในการทำลายหรือสร้างพันธะระหว่างโมเลกุล ไม่ใช่เพื่อเพิ่มพลังงานจลน์หรืออุณหภูมิของสาร
3. ความร้อนแฝงของการหลอมเหลวและความร้อนแฝงของการระเหยแตกต่างกันอย่างไร?
   • คำตอบความร้อนแฝงของการหลอมเหลว หมายถึง พลังงานความร้อนที่จำเป็นในการเปลี่ยนสถานะของสารจากของแข็งเป็นของเหลว (หรือในทางกลับกัน) ณ จุดหลอมเหลว ส่วนความร้อนแฝงของการระเหย หมายถึง พลังงานความร้อนที่จำเป็นในการเปลี่ยนสถานะของสารจากของเหลวเป็นก๊าซ (หรือในทางกลับกัน) ณ จุดเดือด
4. ทำไมเราถึงรู้สึกหนาวเมื่อขึ้นจากสระว่ายน้ำในวันที่ลมแรง ทั้งๆ ที่อุณหภูมิอากาศอบอุ่น?
   • คำตอบเมื่อน้ำระเหยออกจากผิวหนังของเรา มันจะเกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะจากของเหลวเป็นไอ กระบวนการนี้ต้องใช้พลังงาน ซึ่งถูกดึงมาจากผิวหนังของเราในรูปของความร้อน ทำให้เรารู้สึกผิวหนังเย็นลง
5. เหตุใดไอน้ำที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียสจึงอันตรายกว่าน้ำเดือดที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส?
   • คำตอบไอน้ำมีพลังงานมากกว่าน้ำเดือด เนื่องจากได้ดูดซับความร้อนแฝงของการระเหยในระหว่างการเปลี่ยนสถานะจากน้ำเป็นไอน้ำ เมื่อไอน้ำควบแน่นบนผิวหนัง มันจะปล่อยพลังงานส่วนเกินนี้ออกมา ทำให้เกิดแผลไหม้รุนแรงกว่าน้ำเดือด
6. การเติมเกลือลงในน้ำแข็งจะทำให้จุดหลอมเหลวของน้ำแข็งลดลงได้อย่างไร?
   • คำตอบการเติมเกลือจะรบกวนสมดุลระหว่างการหลอมเหลวและการแข็งตัวของส่วนผสมน้ำแข็งกับน้ำ ทำให้มีน้ำแข็งละลายมากขึ้นที่อุณหภูมิต่ำกว่าปกติ ส่งผลให้จุดเยือกแข็งของส่วนผสมลดลง
7. ทำไมเหงื่อจึงช่วยระบายความร้อนออกจากร่างกายในวันที่อากาศร้อน?
   • คำตอบเหงื่อเมื่อระเหยออกจากผิวหนังจะเกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะจากของเหลวเป็นก๊าซ กระบวนการระเหยนี้ต้องใช้พลังงาน ซึ่งดึงมาจากผิวหนัง ทำให้ผิวหนังเย็นลง
8. ในบริบทของการเปลี่ยนแปลงสถานะ การระเหิดคืออะไร?
   • คำตอบการระเหิดคือการเปลี่ยนสถานะโดยตรงจากของแข็งไปเป็นแก๊สโดยไม่ผ่านสถานะของเหลว ตัวอย่างที่พบได้ทั่วไปคือ น้ำแข็งแห้ง (คาร์บอนไดออกไซด์แข็ง) เปลี่ยนสถานะโดยตรงเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ในแก๊ส
9. เหตุใดจึงต้องใช้พลังงานความร้อนในการละลายน้ำแข็ง ทั้งๆ ที่อุณหภูมิคงที่ที่ 0°C?
   • คำตอบพลังงานความร้อนถูกนำมาใช้เพื่อทำลายพันธะระหว่างโมเลกุลที่ยึดน้ำแข็งไว้ในโครงสร้างของแข็ง เมื่อพันธะเหล่านี้ถูกทำลาย น้ำแข็งจะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว แม้ว่าอุณหภูมิจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงก็ตาม
10. ความดันมีผลต่อจุดเดือดของของเหลวอย่างไร?

• คำตอบโดยทั่วไป การเพิ่มความดันภายนอกจะทำให้จุดเดือดของของเหลวสูงขึ้น ในขณะที่การลดความดันจะทำให้จุดเดือดลดลง นี่คือเหตุผลที่น้ำเดือดที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100 องศาเซลเซียสในที่สูง ซึ่งความดันบรรยากาศต่ำกว่า