Удельная теплота плавления льда егэ физика

  • Взрослым: Skillbox, Хекслет, Eduson, XYZ, GB, Яндекс, Otus, SkillFactory.
  • 8-11 класс: Умскул, Лектариум, Годограф, Знанио.
  • До 7 класса: Алгоритмика, Кодланд, Реботика.
  • Английский: Инглекс, Puzzle, Novakid.

Удельная теплота плавления

На графике плавления кристаллического тела привлекают внимание горизонтальные участки, в частности – зеленая линия. В это время теплота продолжает поступать к телу, но температура не растет.

Куда уходит энергия?

Закон сохранения энергии отрицает бесследное исчезновение энергии. И в данном случае этого также не происходит. На наклонных участках графика внешняя энергия расходуется на увеличение кинетической энергии молекул, увеличение амплитуды их колебаний, что вызывает рост температуры.

Во время плавления происходит разрыв межмолекулярных связей. На это и уходит подводимая извне теплота. И температура не вырастет до завершения процесса – пока все количество вещества не перейдет в жидкое состояние.

Удельная теплота плавления

Для перехода в жидкое состояние разным веществам требуется различное количество энергии. Оно определяется строением кристаллической решетки и характеру связей между молекулами.

Для оценки количества теплоты, потребной для перевода вещества в жидкое состояние, вводится физическая величина – удельная теплота плавления. Она равна количеству тепловой энергии, требуемой для расплавления 1 кг вещества. Обозначается удельное количество теплоты греческой буквой λ (лямбда) и единицей измерения служит 1 . Так, если удельная теплота плавления железа равна 247000 , это означает, что для плавления 1 кг железа потребуется 247 кДж энергии.

Количество тепловой энергии, потребной для плавления произвольного количества вещества можно вычислить по формуле Q= λ*m, где m – масса вещества в кг. Так, для плавления 5 кг железа понадобится 247 000*5= 1 235 000 Дж=1 235 кДж тепловой энергии.

Удельная теплота плавления различных веществ

Для удобства сравнения удельная теплота плавления разных веществ в сведена в таблицу.

Из данных, размещенных в таблице, видно, что удельная теплота плавления, например, льда намного больше, чем у стали или серебра. Но надо помнить, что сталь и серебро плавятся при гораздо более высокой температуре, чем лед.

Удельная теплота кристаллизации

На графике из предыдущего эксперимента есть и второй горизонтальный участок. В это время вещество отдает свою энергию окружающей среде, но его температура не падает. При этом происходит отвердевание (кристаллизация вещества).

В это время кинетическая энергия вещества снижается настолько, что амплитуда теплового движения молекул снижается, и вновь вступают в действие межмолекулярные связи. Силы притяжения снова могут удерживать частицы между собой. Молекулы выстраиваются в кристаллическую решетку, и во время этого процесса выделяется тепловая энергия, которое поддерживает температуру до полного затвердевания неизменной.

Теплота, выделяемая при отвердевании 1 кг вещества, называется удельной теплотой кристаллизации. Опытным путем определено, что для каждого вещества она равна удельной теплоте плавления. Это количество теплоты вычисляется также по формуле Q= λ*m.

  • Взрослым: Skillbox, Хекслет, Eduson, XYZ, GB, Яндекс, Otus, SkillFactory.
  • 8-11 класс: Умскул, Лектариум, Годограф, Знанио.
  • До 7 класса: Алгоритмика, Кодланд, Реботика.
  • Английский: Инглекс, Puzzle, Novakid.

Рассматривая график плавления и отвердевания льда в прошлом уроке, мы выяснили, что во время процесса плавления температура льда не меняется. Температура продолжит расти только тогда, когда лед полностью перейдет в жидкость. То же самое мы наблюдали и при кристаллизации воды. 

Но, когда лед плавится, он все равно получает энергию. Ведь во время плавления мы не выключаем горелку — лед получает какое-то количество теплоты от сгорающего в спиртовке (или другом нагревателе) топлива. Куда уходит эта энергия? Вы уже знаете закон сохранения энергии — энергия не может исчезнуть.

На данном уроке мы подробно рассмотрим, что происходит во время процесса плавления, как изменяется энергия и температура. Это позволит нам перейти к новому определению — удельной теплоте плавления.

Изменение внутренней энергии и температуры при плавлении

Так на что же уходит энергия, которую мы сообщаем телу, при плавлении?

Вы знаете, что в кристаллических твердых телах атомы (или молекулы) расположены в строгом порядке (рисунок 1). Они не двигаются так активно, как в газах или жидкостях. Тем не менее, они также находятся в тепловом движении — колеблются.

Рисунок 1. Строение кристаллического кварца

Взгляните еще раз на график плавления и отвердевания льда (рисунок 2).

Рисунок 2. График плавления и отвердевания льда

Нагревание льда идет на участке AB. В это время увеличивается средняя скорость движения его молекул. Значит, возрастает и их средняя кинетическая энергия и температура. Размах колебаний атомов (или молекул) увеличивается.

Так происходит то того момента, пока нагреваемое тело не достигнет температуры плавления. 

При температуре плавления нарушается порядок в расположении частиц в кристаллах.

Так вещество начинает переход из твердого состояния в жидкое.

Значит, энергия, которую получает тело после достижения температуры плавления, расходуется на разрушение кристаллической решетки. Поэтому температура тела не повышается — участок графика BC.

Изменение внутренней энергии и температуры при отвердевании

При отвердевании происходит обратное. 

Средняя скорость движения молекул и их средняя кинетическая энергия в жидкости (расплавленном веществе) уменьшается при охлаждении. Этому соответствует участок графика DE на рисунке 2.

Теперь силы притяжения между молекулами могут удерживать их друг около друга. Расположение частиц становится упорядоченным — образуется кристалл (участок графика EF). 

Куда расходуется энергия, которая выделяется при кристаллизации? Температура тела остается постоянной во время этого процесса. Значит, энергия расходуется на поддержание этой температуры, пока тело полностью не отвердеет.

Теперь мы можем сказать, что 

При температуре плавления внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в твёрдом состоянии.

Эта избыточная энергия выделяется при кристаллизации и поддерживает температуру тела на одном уровне во время всего процесса отвердевания.

Удельная теплота плавления

Опытным путем доказано, что для превращения твердых кристаллических тел одинаковой массы в жидкость необходимо разное количество теплоты. Тела при этом рассматриваются при их температурах плавления.

Удельная теплота плавления — это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой $1 space кг$, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние.

  • обозначается буквой $lambda$
  • единица измерения — $1 frac{Дж}{кг}$

Удельная теплота плавления некоторых веществ

В таблице 1 представлены экспериментально полученные величины удельной теплоты плавления для некоторых веществ.

Вещество $lambda, frac{Дж}{кг}$ Вещество $lambda, frac{Дж}{кг}$
Алюминий $8.9 cdot 10^5$ Сталь $0.84 cdot 10^5$
Лёд $3.4 cdot 10^5$ Золото $0.67 cdot 10^5$
Железо $2.7 cdot 10^5$ Водород $0.59 cdot 10^5$
Медь $2.1 cdot 10^5$ Олово $0.59 cdot 10^5$
Парафин $1.5 cdot 10^5$ Свинец $0.25 cdot 10^5$
Спирт $1.1 cdot 10^5$ Кислород $0.14 cdot 10^5$
Серебро $0.87 cdot 10^5$ Ртуть $0.12 cdot 10^5$
Таблица 1. Удельная теплота плавления некоторых веществ (при нормальном атмосферном давлении)

Удельная теплота плавления золота составляет $0.67 cdot 10^5 frac{Дж}{кг}$. Что это означает?

Для того чтобы расплавить кусок золота массой $1 space кг$, взятого при температуре $1064 degree C$ (температура плавления золота), до жидкого состояния, нам потребуется затратить $0.67 cdot 10^5 space Дж$ энергии.

Опытным путем доказано, что 

при отвердевании кристаллического вещества выделяется точно такое же количество теплоты, которое поглощается при его плавлении.

То есть, при кристаллизации расплавленного золота массой $1 space кг$ выделится $0.67 cdot 10^5 space Дж$ энергии.

Расчет количества теплоты, необходимого для плавления или отвердевания вещества

Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для плавления кристаллического тела массой $m$, взятого при его температуре плавления и нормальном атмосферном давлении, нужно удельную теплоту плавления $lambda$ умножить на массу тела $m$:
$Q = lambda m$.

Мы можем выразить из этой формулы массу $m$ и удельную теплоту плавления $lambda$:

$m = frac{Q}{lambda}$,
$lambda = frac{Q}{m}$
.

Количество теплоты, которое выделится при отвердевании, рассчитывается по этой же формуле. Но при этом необходимо помнить, что внутренняя энергия тела будет уменьшаться.

Упражнения

Упражнение №1

В кастрюлю положили лёд массой $2 space кг$. Его температура была равна $0 degree C$. Рассчитайте количество энергии, которое понадобилось, чтобы полностью растопить лёд и превратить его в кипяток с температурой $100 degree C$. Количество теплоты, затраченное на нагревание кастрюли не учитывать.
Рассчитайте количество энергии, которое понадобится для превращения в кипяток ледяной воде той же массы и температуры, что и лёд.

Для расчёта нам понадобится значение удельный теплоемкости воды $c$, которое можно посмотреть в таблице.

Дано:
$m = 2 space кг$
$t_1 = 0 degree C$
$t_2 = 100 degree C$
$lambda = 3.4 cdot 10^5 frac{Дж}{кг}$
$с = 4.2 cdot 10^3 frac{Дж}{кг cdot degree C}$

$Q_- ?$
$Q_2 -?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Решение:

Чтобы рассчитать количество теплоты, которое понадобиться, чтобы превратить лёд в кипящую воду, нам понадобиться сначала его расплавить. Количество теплоты $Q_1$, затраченное на плавление льда, рассчитаем по формуле $Q_1 = lambda m$.
$Q_1 = 3.4 cdot 10^5 frac{Дж}{кг} cdot 2 space кг = 6.8 cdot 10^5 space Дж$

Теперь у нас есть вода с температурой $0 degree C$. Для расчёта количества теплоты $Q_2$, необходимого для нагревания воды используем формулу $Q_2 = cm(t_2 — t_1)$.
$Q_2 = 4.2 cdot 10^3 frac{Дж}{кг cdot degree C} cdot 2 space кг cdot (100 degree C — 0 degree C) = 8.4 cdot 10^3 frac{Дж}{кг} cdot 100 degree C = 8.4 cdot 10^5 space Дж$.

Тогда, для превращения куска льда в кипяток нам потребуется количество теплоты:
$Q =  Q_1 + Q_2 = 6.8 cdot 10^5 space Дж + 8.4 cdot 10^5 space Дж = 15.2 cdot 10^5 space Дж$.

Если теперь мы возьмем вместо льда воду при $0 degree C$, то для ее превращения в кипяток, нужно просто ее нагреть. Это количество теплоты мы уже рассчитали:
$Q_2 = 8.4 cdot 10^5 space Дж$.

Ответ: $Q = 15.2 cdot 10^5 space Дж$, $Q_2 = 8.4 cdot 10^5 space Дж$.

Упражнение №2

Сколько энергии потребуется для того, чтобы расплавить железо массой $10 space кг$ с начальной температурой $29 degree C$?
Удельная теплоемкость железа — $460 frac{Дж}{кг cdot degree C}$, температура плавления — $1539 degree C$.

Дано:
$m = 10 space кг$
$t_1 = 29 degree C$
$t_2 = 1539 degree C$
$c = 460 frac{Дж}{кг cdot degree C}$
$lambda = 2.7 cdot 10^5 frac{Дж}{кг}$

$Q — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Решение:

Чтобы рассчитать общее затраченное количество теплоты $Q = Q_1 + Q_2$, нужно рассчитать отдельно количество теплоты $Q_1$, затраченное на нагревание железа до температуры плавления, и количество теплоты $Q_2$, затраченное на его плавление.

$Q_1 = cm(t_2 — t_1)$.
$Q_1 = 460 frac{Дж}{кг cdot degree C} cdot 10 space кг cdot (1539 degree C — 19 degree C) = 4600 frac{Дж}{degree C} cdot 1510 degree C = 6 space 946 space 000 space Дж approx 69 cdot 10^5 space Дж$.

$Q_2 = lambda m$.
$Q_2 = 2.7 cdot 10^5 frac{Дж}{кг} cdot 10 space кг = 27 cdot 10^5 space Дж$.

$Q = Q_1 + Q_2 = 69 cdot 10^5 space Дж + 27 cdot 10^5 space Дж = 96 cdot 10^5 space Дж$.

Ответ: $Q = 96 cdot 10^5 space Дж$.

Упражнение №3

На заводе охлаждают стальную деталь от $800 degree C$ до $0 degree C$. При этом она растопила лёд массой $3 space кг$, взятый при $0 degree C$. Определите массу детали, если вся выделенная ей энергия пошла на растопку льда.
Удельная теплоемкость стали — $500 frac{Дж}{кг cdot degree C}$.

Дано:
$m_1 = 3 space кг$
$lambda_1 = 3.4 cdot 10^5 frac{Дж}{кг}$
$c_2 = 500 frac{Дж}{кг cdot degree C}$
$t_1 = 800 degree C$
$t_2 = 0 degree C$

$m_2 — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Решение:

При плавлении лёд поглотит количество теплоты $Q_1 = lambda_1 m_1$.

При охлаждении стальная деталь выделит количество теплоты $Q_2 = c_2m_2(t_2 — t_1)$.

По закону сохранения энергии эти энергии будут равны:
$Q_1 = Q_2$.
Т.е., $lambda_1 m_1 = c_2m_2(t_2 — t_1)$.

Выразим отсюда массу детали:
$m_2 = frac{lambda_1 m_1}{c_2(t_2 — t_1)}$.
$m_2 = frac{3.4 cdot 10^5 frac{Дж}{кг} cdot 3 space кг}{500 frac{Дж}{кг cdot degree C} cdot (800 degree C — 0 degree C)} = frac{10.2 cdot 10^5 Дж}{4 cdot 10^5 frac{Дж}{кг}} = 2.55 space кг$.

Ответ: $m_2 = 2.55 space кг$.

Определение

Фазовые переходы — это термодинамические процессы, приводящие к изменению агрегатного состояния вещества.

Плавление и отвердевание

ОпределениеПлавление — переход вещества из твердого состояния в жидкое.

Для расчета количества теплоты, необходимого для процесса плавления, следует применять формулу:

Q=λm

m — масса вещества, λ (Дж/кг) — удельная теплота плавления.

Плавление каждого вещества происходит при определенной температуре, которую называют температурой плавления. Все проводимое тепло идет на разрушение кристаллической решетки, при этом увеличивается потенциальная энергия молекул. Кинетическая энергия остается без изменения и температура в процессе плавления не изменяется.

Удельная теплота плавления показывает, какое количество теплоты необходимо сообщить 1 кг данного вещества, чтобы перевести его из твердого состояния в жидкое при условии, что оно уже нагрето до температуры плавления. В процессе отвердевания 1 кг данной жидкости, охлажденной до температуры отвердевания, выделится такое же количество теплоты.

Внимание! Удельная теплота плавления — табличная величина.

ОпределениеОтвердевание, или кристаллизация — переход состояния из жидкого состояния в твердое (это процесс, обратный плавлению).

Отвердевание происходит при той же температуре, что и плавление. В процессе отвердевания температура также не изменяется. Количество теплоты, выделяемое в процессе отвердевания:

Q=λm

Парообразование и конденсация

ОпределениеПарообразование, или кипение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное.

Количество теплоты, необходимое для процесса кипения, вычисляют по формуле:

Q=rm

m — масса вещества, r (Дж/кг) — удельная теплота парообразования.

Парообразование происходит при определенной температуре, которую называют температурой кипения. В отличие от испарения, процесс парообразования идет со всего объема жидкости. Несмотря на то, что к кипящему веществу подводят тепло, температура не изменяется. Все затраты энергии идут на увеличение промежутком между молекулами. Температура кипения зависит от рода вещества и внешнего атмосферного давления.

Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы перевести в пар 1 кг жидкости, нагретой до температуры кипения. Такое же количество теплоты выделится в процессе конденсации 1 кг пара, охлажденного до температуры конденсации.

Внимание! Удельная теплота парообразования — табличная величина.

ОпределениеКонденсация — процесс, обратный кипению. Это переход вещества из газообразного состояния в жидкое.

Конденсация происходит при температуре кипения, которая также не изменяется во время всего процесса. Количество теплоты, выделяемое в процессе конденсации:

Q=rm

Тепловые процессы при нагревании и охлаждении

Все фазовые переходы, а также процессы нагревания и остывания вещества можно отобразить графически. Посмотрите на график фазовых переходов вещества:

Он показывает зависимость температуры вещества от времени в процессе его нагревания и остывания. Опишем процессы, отображаемые на графике, в таблице.

Процесс Что происходит Количество выделенной теплоты
1–2 Нагревание твердого тела

Q=cтm(tплt0)

ст — удельная теплоемкость вещества в твердом состоянии.

2–3 Плавление при температуре плавления (tпл)

Q=λm

3–4 Нагревание жидкости

Q=cжm(tкипtпл)

сж — удельная теплоемкость вещества в жидком состоянии.

4–5 Кипение при температуре кипения (tкип)

Q=rm

5–6 Нагревание пара

Q=cпm(ttкип)

сп — удельная теплоемкость вещества в газообразном состоянии.

6–7 Охлаждение пара

Q=cпm(tкипt)

7–8 Кипение при температуре кипения (tкип)

Q=rm

8–9 Охлаждение жидкости

Q=cжm(tпдtкип)

9–10 Отвердевание при температуре плавления (tпл)

Q=λm

10–11 Охлаждение твердого тела

Q=cтm(t0tпл)

Внимание! На участках 2–3 и 9–10 вещество частично находится в жидком и твердом состояниях, а на 4–5 и 7–8 — в жидком и газообразном.

Частные случаи тепловых процессов

Что происходит График Формула количества теплоты
Полностью растопили лед, имеющий отрицательную температуру.

Q=cлm(tплtл)+λm

cл — удельная теплоемкость льда, tл — начальная температура льда.

Лед, взятый при отрицательной температуре, превратили в воду при комнатной температуре.

Q=cлm(tплtл)+λm+cвm(tвtпл)

cв — удельная теплоемкость воды.

Взяли лед при температуре 0 оС и полностью испарили.

Q=λm+cвm(tкипtпл)+rm

Взяли воду при комнатной температуре и половину превратили в пар.

Q=cвm(tкипtв)+rm2

Подсказки к задачам

Единицы измерения Температуру можно оставлять в градусах Цельсия, так как изменение температуры в градусах Цельсия равно изменению температуры в Кельвинах.
Кипяток Вода, которая при нормальном атмосферном давлении имеет температуру в 100 оС.
Объем воды 5 л m = 5 кг, так как:

m=ρV=103·
5·103м3=5 кг 

Внимание! Равенство V (л) = m (кг) справедливо только для воды.

Пример №1. Какое количество теплоты нужно сообщить льду массой 2 кг, находящемуся при температуре –10 оС, чтобы превратить его в воду и нагреть ее до температуры +30 оС?

Можно выделить три тепловых процесса:

  1. Нагревание льда до температуры плавления.
  2. Плавление льда.
  3. Нагревание воды до указанной температуры.

Поэтому количество теплоты будет равно сумме количеств теплоты для каждого из этих процессов:

Q=Q1+Q2+Q3

Q=cлm(0t1)+λm+cвm(t20)

Удельные теплоемкости и удельную теплоту плавления смотрим в таблицах:

  • Удельная теплоемкость льда = 2050 Дж/(кг∙К).
  • Удельная теплоемкость воды = 4200 Дж/(кг∙К).
  • Удельная теплота плавления льда = 333,5∙103 Дж/кг.

Отсюда:

Q=2050·2(0(10))+333,5·103·2+4220·2·30=961200 (дж)=961,2 (кДж)

Уравнение теплового баланса

Суммарное количество теплоты, которое выделяется в теплоизолированной системе равно количеству теплоты (суммарному), которое в этой системе поглощается.

Математически уравнение теплового баланса с учетом знаков количества теплоты записывается так:

Qотд=Qпол

Отданное количество теплоты меньше нуля (Qотд < 0), а полученное количество теплоты положительно (Qполуч > 0).

Подсказки к задачам на уравнение теплового баланса

Теплообмен происходит в калориметре Потерями энергии можно пренебречь.
Жидкость нагревают в некотором сосуде Начальные и конечные температуры жидкости и сосуда совпадают.
В жидкость опускают термометр Через некоторое время он покажет конечную температуру жидкости и термометра.
Мокрый снег Содержит воду и лед при 0 оС. Учтите, что лед плавится, если он находится при температуре 0 оС и получает энергию от более нагретого тела. Вода кристаллизируется при температуре 0 оС, если она отдает энергию более холодному телу. Если лед и вода находятся при температуре 0 оС, то никаких агрегатных переходов между ними не происходит.

Частные случаи теплообмена

В воду комнатной температуры бросили ком снега, содержащий некоторое количество воды, после чего установилась некоторая положительная температура.

Уравнение теплового баланса:

Q1+Q2+Q3=0

cвmв1(ttв1)+cвmв2(t0)+λmл+cвmл(t0)=0

Для получения некоторой положительной температуры воды используют горячую воду и лед, имеющий отрицательную температуру.

Уравнение теплового баланса:

Q1+Q2=0

cвmв(ttв)+cлmл(0tл)+λmл+cвmл(t0)=0

В воду комнатной температуры бросают раскаленное твердое тело, в результате часть воды испаряется.

Уравнение теплового баланса:

Q1+Q2=0

cтmт(100tт)+cвmв(100tв)+rmп=0

Воду комнатной температуры нагревают до кипения, вводя пар при t = 100 оС.

Уравнение теплового баланса:

Q1+Q2=0

rmп+cвmв(100tв)=0

Лед, имеющий температуру плавления, нагревают до положительной температуры, вводя пар при t = 100 оС.

Уравнение теплового баланса:

Q1+Q2=0

rmп+cвmп(ttкип)+λmл+cвmл(ttпл)=0

Пример №2. В кастрюлю, где находится вода объемом 2 л при температуре 25 оС, долили 3 л кипятка. Какая температура воды установилась?

2 л = 2 кг

3 л = 3 кг

Количество теплоты, отданное кипятком, равно количеству теплоты, принятому более прохладной водой. Поэтому:

cm1(tt0)=cm2(ttкип)

Или:

m1(tt0)=m2(ttкип)

m1t+m2t=m1t0+m2tкип

(m1+m2)t=m1t0+m2tкип

t=m1t0+m2tкипm1+m2

t=2·25+3·1002+3=3505=70 (°C)

Взаимные превращения механической и внутренней энергии

Если в тексте задачи указан процент одного вида энергии, перешедший в другой, то он указывается в виде десятичной дроби перед этой энергией, которой тело обладало вначале.

Частные случаи закона сохранения энергии

При неупругом ударе о стенку пуля нагрелась

mv22=cmΔt

Тело падает с некоторой высоты и в момент падения нагревается

mgh=cmΔt

В результате того, что пуля пробивает стену, ее скорость уменьшается, 50% выделившейся при этом энергии идет на нагревание пули

0,5(mv202mv22)=cmΔt

Летящая пуля при ударе о стенку расплавилась. Начальная температура пули меньше температуры плавления

mv22=cmΔt+λm

Капля воды, падая с некоторой высоты, в момент удара испарилась. Температура капли у поверхности земли меньше температуры кипения. На нагрев пошло 60% выделившейся механической энергии

0,6mgh=cmΔt+rm

Вследствие сгорания топлива ракета поднялась на некоторую высоту

qmтоп=mрgh

Вследствие сгорания топлива снаряд приобрел некоторую скорость, и на это было затрачено 25% энергии

0,25qmтопmсv22

Пример №3. Свинцовая дробинка, летящая со скоростью 100 м/с, попадает в доску и входит в нее. 52% кинетической энергии дробинки идет на ее нагревание. На сколько градусов нагрелась дробинка? Удельная теплоемкость свинца 130 Дж/(кг∙К).

Запишем закон сохранения энергии для этого случая:

0,52mv22=cmΔt

Δt=0,52v22c=0,52·10022·130=20 (К)

Примеры КПД

Устройство Полезная энергия (работа), затраченная энергия (полная работа) КПД
Электронагреватель, электроплитка, электрочайник, кипятильник.

Qполезн=cmΔT

Иногда:

Qполезн=cmΔT+rm

Wзатр=Pt

(произведение мощности на время)

η=cmΔTPt100%

Газовая горелка, паровая турбина, спиртовка, плавильная печь.

Qполезн=cmΔT

Qзатр=qmтоп

η=cmΔTqmтоп100%

Двигатель автомобиля, самолета.

Aполезн=Nt=Nsv

Qзатр=qmтоп

η=cmΔTvqmтоп100

Ружье с пороховым зарядом, пушка

Eполезн=mv22

Qзатр=qmпор

η=mv22qmпор100

Внимание! Если в задаче указано время, в течение которого происходит один тепловой процесс, а спрашивают о времени протекания другого, то считайте, что мощность нагревателя или холодильника постоянна:

Q1t1=Q2t2

Пример №4. Для нагревания на электроплитке некоторого количества воды от 20 до 100 оС потребовалась 21 минута. Сколько времени после этого необходимо для полного испарения воды? Удельная теплоемкость воды 4200 Дж (кг∙К), удельная теплота парообразования 2,24 МДж/кг.

Будем считать, что мощность электроплитки постоянна. Поэтому:

Q1t1=Q2t2

Количество теплоты, сообщенное воде при нагревании:

Q1=сm(t2t1)

Количество теплоты, которое нужно сообщить, чтобы вода полностью испарилась:

Q1=rm

Отсюда:

сm(t2t1)t1=rmt2

Задание EF17544

Кусок льда, имеющий температуру 0°С, помещён в калориметр с электронагревателем. Чтобы превратить этот лёд в воду с температурой 12°С, требуется количество теплоты 80 кДж. Какая температура установится внутри калориметра, если лёд получит от нагревателя количество теплоты 60 кДж? Теплоёмкостью калориметра и теплообменом с внешней средой пренебречь.

Ответ:

а) 0°С

б) 4°С

в) 6°С

г) 9°С


Алгоритм решения

1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения величин в СИ.

2.Записать уравнение теплового баланса для первого случая.

Решение

Запишем исходные данные:

 Начальная температура льда: t0 = 0 oC.

 Конечная температура воды в первом случае: t1 = 12 oC.

 Количество теплоты, выделенное электронагревателем в первом случае: Q1 = 80 кДж.

 Количество теплоты, выделенное электронагревателем во втором случае: Q2 = 60 кДж.

Составим уравнение теплового баланса для первого случая:

Q1=λm+cmt1

Внимание! Вместо разности температур используется значение только конечной температуры, так как начальная температура равна 0.

Найдем массу льда из уравнения теплового баланса для первого случая. Учтем что:

 Удельная теплоемкость воды: c = 4200 Дж/(кг∙К).

 Удельная теплота плавления льда: λ = 333,5 кДж/(кг∙К).

Отсюда:

Чтобы расплавить кусок льда массой 0,5 кг, нужно затратить следующее количество теплоты:

Лед не расплавится весь, так как ему будет сообщено лишь 60 кДж теплоты. Поэтому в калориметре температура будет равна 0 оС.

Ответ: а

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF18791

Внимательно прочитайте текст задания и выберите верный ответ из списка

На рисунке представлены графики зависимости температуры t двух тел одинаковой массы от сообщённого им количества теплоты Q. Первоначально тела находились в твёрдом агрегатном состоянии.

Используя данные графиков, выберите из предложенного перечня два верных утверждения и укажите их номера.

Ответ:

а) Температура плавления первого тела в 1,5 раза больше, чем второго.

б) Тела имеют одинаковую удельную теплоёмкость в твёрдом агрегатном состоянии.

в) Удельная теплоёмкость второго тела в твёрдом агрегатном состоянии
в 3 раза больше, чем первого.

г) Оба тела имеют одинаковую удельную теплоту плавления.

д) Тела имеют одинаковую удельную теплоёмкость в жидком агрегатном состоянии.


Алгоритм решения

  1. Проанализировать каждое из утверждений.
  2. Проверить истинность утверждений с помощью графика.
  3. Выбрать и записать верные утверждения.

Решение

Проверим первое утверждение, согласно которому, температура плавления первого тела в 1,5 раза больше, чем второго.

Если это было бы так, то количество клеток до горизонтального участка графика 1 относилось к количеству клеток до горизонтального участка графика 2 как 3 к 2. Но мы видим, что до 1 графика 4 клетки, до 1 — 2. Следовательно, температура плавления первого тела в 2 раза больше, чем второго.

Первое утверждение неверно.

Проверим второе утверждение, согласно которому тела имеют одинаковую удельную теплоёмкость в твёрдом агрегатном состоянии.

Если бы это было так, то соответствующие участки графиков совпадали бы. Только в таком случае температура тел увеличивалась на одну и ту же температуру при получении одного и того же количества теплоты. Но мы видим, что это не так.

Второе утверждение неверно.

Проверим третье утверждение, согласно которому удельная теплоёмкость второго тела в твёрдом агрегатном состоянии в 3 раза больше, чем первого.

Если это было бы так, то первое тело при сообщении  телам одинакового количества теплоты нагревалось бы втрое быстрее второго. И это действительно так, потому что температура второго во время нагревания в твердом состоянии увеличилась только на 1 клетку, в то время как температура первого тела — на 2 клетки.

Третье утверждение верно.

Проверим четвертое утверждение, согласно которому оба тела имеют одинаковую удельную теплоту плавления.

Если это было бы так, то протяженность горизонтальных участков обоих графиков была бы одинаковой. Но это не так. Протяженность этого участка для тела 1 составляет 3 клетки, для тела 2 — 2 клетки.

Четвертое утверждение верно.

Проверим пятое утверждение, согласно которому тела имеют одинаковую удельную теплоёмкость в жидком агрегатном состоянии.

Если бы это было так, то соответствующие участки графиков были параллельными. Только при таком условии при повышении температуры на одно и то же количество градусов тела бы получли одинаковое количество теплоты. И это действительно так.

Пятое утверждение верно.

Вывод: верным утверждения «в» и «д».

Ответ: вд

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF22685

В сосуде лежит кусок льда. Температура льда t1 = 0 °C. Если сообщить ему количество теплоты Q = 50 кДж, то 3/4 льда растает. Какое количество теплоты q надо после этого сообщить содержимому сосуда дополнительно, чтобы весь лёд растаял и образовавшаяся вода нагрелась до температуры t2 = 20 °C? Тепловыми потерями на нагрев сосуда пренебречь.


Алгоритм решения

1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения в СИ.

2.Записать уравнение теплового баланса.

3.Выполнить решение в общем виде.

4.Определить и вычислить искомую величину.

Решение

Запишем исходные данные:

 Начальная температура льда: t1 = 0 oC.

 Конечная температура воды: t2 = 20 oC.

 Количество теплоты, переданное льду изначально: Q = 50 кДж.

 Удельная теплоемкость воды: c = 4200 Дж/(кг∙К).

 Удельная теплота плавления льда: λ = 333,5 кДж/(кг∙К).

50 кДж = 50000 Дж

333,5 кДж = 333500 Дж

Составим уравнение теплового баланса:

Qобщ=Q+q

где q — количество теплоты, необходимое для того, чтобы окончательно растопить лед и нагреть воду:

q=Q2+Q3

Мы знаем, что изначально было растоплено 3/4 льда. Поэтому:

Q=3λm4

Отсюда масса льда равна:

m=4Q3λ

На растопку оставшегося льда уйдет следующее количество теплоты:

Q2=λm4

На нагревание воды уйдет следующее количество теплоты:

Q3=cmt2

Внимание! Вместо разности температур используется значение только конечной температуры, так как начальная температура равна 0.

Отсюда:

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Алиса Никитина | Просмотров: 12.3k

Содержание:

Количество теплоты:

В чём причина изменения внутренней энергии макроскопического тела при теплообмене?

Теплообмен

Другим способом изменения внутренней энергии термодинамической системы является теплообмен.

Теплообмен — самопроизвольный процесс передачи внутренней энергии от тела с большей температурой телу с меньшей температурой без совершения работы.

Теплообмен между контактирующими телами называют теплопередачей. За счёт переданной при этом энергии увеличивается внутренняя энергия одного тела и уменьшается внутренняя энергия другого. Если, например, привести в соприкосновение два тела с разными температурами, то частицы более нагретого тела будут передавать часть своей кинетической энергии частицам менее нагретого тела. В результате внутренняя энергия одного тела уменьшается, а другого увеличивается.

Таким образом, при теплопередаче не происходит превращения энергии из одной формы в другую: часть внутренней энергии более нагретого тела передаётся менее нагретому.

Количество теплоты и удельная теплоёмкость

Количественной мерой энергии, сообщённой телу (или отданной им) в процессе теплообмена, является количество теплоты.

В СИ единицей количества теплоты Q является джоуль (Дж). Иногда для измерения количества теплоты используют внесистемную единицу — калорию Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами

Если процесс теплообмена не сопровождается изменением агрегатного состояния вещества, то

Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами

где Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами — масса тела; Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами — разность температур в конце и в начале процесса теплообмена; с — удельная теплоёмкость вещества — физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое получает вещество массой 1 кг при увеличении его температуры на 1 К. Удельную теплоёмкость измеряют в джоулях, деленных на килограмм, кельвин Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами

Удельная теплоёмкость зависит от свойств данного вещества и, как показывает опыт, в достаточно большом интервале температур практически не изменяется. Однако удельная теплоёмкость газа зависит от того, при каком процессе (изобарном или изохорном) осуществляется теплообмен.

Интересно знать:

Физическая величина, равная произведению массы тела на удельную теплоёмкость вещества, носит название теплоёмкость тела. Обозначают теплоёмкость С и измеряют в джоулях, деленных на кельвин Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерамиТеплоёмкость в отличии от удельной теплоёмкости, является тепловой характеристикой тела, а не вещества.

Удельная теплота плавления

Физическую величину, численно равную количеству теплоты, необходимому для превращения кристаллического вещества массой 1 кг, взятого при температуре плавления, в жидкость той же температуры, называют удельной теплотой плавления Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами Эту величину измеряют в джоулях, делённых на килограмм Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами Для плавления тела массой Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами предварительно нагретого до температуры плавления, ему необходимо сообщить количество теплоты Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами При кристаллизации тела такое же количество теплоты выделяется: Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами

Удельная теплота парообразования

Физическую величину, численно равную количеству теплоты, которое необходимо передать жидкости массой 1 кг, находящейся при температуре кипения, для превращения её при постоянной температуре в пар, называют удельной теплотой парообразования L. Единицей измерения этой величины является джоуль, делённый на килограмм Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами Количество теплоты, необходимое для превращения жидкости массой Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерамипредварительно нагретой до температуры кипения, в пар, определяют по формуле Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами Конденсация пара сопровождается выделением количества теплоты Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами

Удельная теплота сгорания топлива

Физическую величину, численно равную количеству теплоты, выделяющемуся при полном сгорании топлива массой 1 кг, называют удельной теплотой сгорания Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами топлива и измеряют в джоулях, делённых на килограмм Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами Количество теплоты, выделившееся при полном сгорании некоторой массы Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами топлива, определяют по формуле

Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами

Это количество теплоты передаётся телам, образующим термодинамическую систему, и по отношению к ним является положительной величиной.

Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами

  • Заказать решение задач по физике

Примеры решения задач

Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами

Пример №1

На рисунке 77 представлен график зависимости абсолютной температуры нагреваемого тела от переданного ему количества теплоты. Воспользовавшись таблицей на с. 84, определите вещество, из которого изготовлено тело, если его масса Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами

Решение:

Для того чтобы определить вещество, из которого изготовлено тело, найдём его удельную теплоёмкость с. Анализируя график, делаем вывод, что при нагревании тела от температуры Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами до температуры Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами ему было передано количество теплоты Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами которое можно рассчитать по формуле Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами

Следовательно, удельная теплоёмкость вещества Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами
Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами
Полученное значение удельной теплоёмкости соответствует олову.

Ответ: Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами — олово.

Пример №2

В налитую в сосуд воду, масса которой Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами и температура Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами добавили некоторое количество льда при температуре Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами Определите массу льда, если после достижения теплового равновесия температура содержимого сосуда Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами Теплоёмкостью сосуда и потерями тепла пренебречь. Удельная теплоёмкость воды Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами льда Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерамиудельная теплота плавления льдаКоличество теплоты в физике - формулы и определение с примерами

Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами

Решение:

Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами

Ответ: Количество теплоты в физике - формулы и определение с примерами

  • Расчет количества теплоты при нагревании и охлаждении
  • Удельная теплота сгорания топлива
  • Плавление и кристаллизация в физике 
  • Испарение жидкостей в физике
  • Конвекция в физике
  • Излучение тепла в физике
  • Виды излучений в физике
  • Инфракрасные излучения

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Удачи на экзамене сестренка
  • Удачи на русском егэ
  • Удельная теплоемкость чугуна егэ
  • Удачи на экзамене прикол
  • Удачи на пробном экзамене