--> Ïðèìåðû ðåøåíèÿ çàäà÷ ïî òåìå: «Êîëè÷åñòâî òåïëîòû. Óðàâíåíèå òåïëîâîãî áàëàíñà». Ôèçèêà 10 êëàññ. Ìÿêèøåâ
ìîé ÞÒÓÁ êàíàë ïðèêîëüíûõ ÌÓËÜÒÈÊÎÂ!
ìîé ÒÅËÅÃÐÀÌ êàíàë ïðèêîëüíûõ ÌÓËÜÒÈÊÎÂ!

 


Ñîäåðæàíèå

 

Ãëàâíàÿ >> Ôèçèêà 10 êëàññ. Ìÿêèøåâ

Ãëàâà 13. Îñíîâû òåðìîäèíàìèêè

 


§ 77. Ïðèìåðû ðåøåíèÿ çàäà÷ ïî òåìå: «Êîëè÷åñòâî òåïëîòû. Óðàâíåíèå òåïëîâîãî áàëàíñà»

Äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷ íóæíî ÷¸òêî âûäåëÿòü íà÷àëüíîå è êîíå÷íîå ñîñòîÿíèÿ ñèñòåìû, à òàêæå õàðàêòåðèçóþùèå ýòè ñîñòîÿíèÿ ïàðàìåòðû. Êðîìå ýòîãî, íóæíî óìåòü âû÷èñëÿòü êîëè÷åñòâî òåïëîòû ïî ôîðìóëàì (13.5)— (13.9) è åù¸ ïîìíèòü, ÷òî âåëè÷èíà Q ìîæåò áûòü êàê ïîëîæèòåëüíîé, òàê è îòðèöàòåëüíîé.

Çàäà÷à 1.  êàëîðèìåòðå íàõîäèòñÿ ë¸ä ìàññîé 1 êã ïðè òåìïåðàòóðå t1 = -40 °Ñ.  êàëîðèìåòð ïóñêàþò ïàð ìàññîé 1 êã ïðè òåìïåðàòóðå t2 = 120 °Ñ. Îïðåäåëèòå óñòàíîâèâøóþñÿ òåìïåðàòóðó è ôàçîâîå ñîñòîÿíèå ñèñòåìû. Íàãðåâàíèåì êàëîðèìåòðà ïðåíåáðåãèòå. (ñë = 2,1 • 103 Äæ/(êã • Ê), ñâ = 4,2 • 103 Äæ/(êã • Ê), ñï = 2,2 • 103 Äæ/(êã • Ê), λë = 3,3 • 105 Äæ/êã, rï = 2,26 • 106 Äæ/êã.)

Ð å ø å í è å. Ïðåæäå ÷åì ñîñòàâëÿòü óðàâíåíèå òåïëîâîãî áàëàíñà, |Qîòä| = Qïoë, îöåíèì, êàêîå êîëè÷åñòâî òåïëîòû ìîãóò îòäàòü îäíè ýëåìåíòû ñèñòåìû, à êàêîå êîëè÷åñòâî òåïëîòû ìîãóò ïîëó÷èòü äðóãèå. Î÷åâèäíî, ÷òî òåïëî îòäàþò: ïàð 1) ïðè îõëàæäåíèè äî 100 °Ñ è 2) ïðè êîíäåíñàöèè; âîäà, ñêîíäåíñèðîâàâøàÿñÿ èç ïàðà, ïðè îñòûâàíèè îò 100 °Ñ. Òåïëî ïîëó÷àþò: ë¸ä 1) ïðè íàãðåâàíèè è 2) ïðè ïëàâëåíèè; âîäà, ïîëó÷åííàÿ èç ëüäà, íàãðåâàåòñÿ îò 0 °Ñ äî êàêîé-òî òåìïåðàòóðû. Îïðåäåëèì êîëè÷åñòâî òåïëîòû, îòäàííîé ïàðîì ïðè ïðîöåññàõ 1 è 2:

|Qîòä| = cïmï(t2 - 100) + rïmï = 23,0 • 105 Äæ.

Êîëè÷åñòâî òåïëîòû, ïîëó÷åííîé ëüäîì ïðè ïðîöåññàõ 1 è 2:

Qïoë = ñëòë(0 - t1) + λëmë = 4,14 • 105 Äæ.

Èç ðàñ÷¸òîâ ÿñíî, ÷òî |Qîòä| = Qïoë. Ðàñòàÿâøèé ë¸ä çàòåì íàãðåâàåòñÿ. Îïðåäåëèì, êàêîå êîëè÷åñòâî òåïëîòû íóæíî äîïîëíèòåëüíî, ÷òîáû âîäà, îáðàçîâàâøàÿñÿ èç ëüäà (më = mâ), íàãðåëàñü äî 100 °Ñ:

Q'ïîë = ñâòâ(100 - 0) = 4,2 • 105 Äæ.

Ñëåäîâàòåëüíî, ñóììàðíîå êîëè÷åñòâî òåïëîòû, êîòîðóþ ìîæåò ïîëó÷èòü ë¸ä, ïåðåøåäøèé â âîäó, êîòîðàÿ çàòåì íàãðåëàñü äî 100 °Ñ, åñòü QïoëΣ = 8,34 • 105 Äæ. Ìû âèäèì, ÷òî QïoëΣ < |Qîòä|.

Èç ïîñëåäíåãî ñîîòíîøåíèÿ ñëåäóåò, ÷òî íå âåñü ïàð áóäåò êîíäåíñèðîâàòüñÿ. Ìàññó îñòàâøåãîñÿ ïàðà ìîæíî îïðåäåëèòü èç ñîîòíîøåíèÿ m'ï = = (|Qîòä| - QïoëΣ)/rï = 0,65 êã.

Îêîí÷àòåëüíî â êàëîðèìåòðå áóäóò íàõîäèòüñÿ ïàð è âîäà ïðè òåìïåðàòóðå t = 100 °Ñ, ïðè ýòîì m'ï = 0,65 êã, mâ = 1,35 êã.

Çàäà÷à 2. Íà ñêîëüêî òåìïåðàòóðà âîäû ó îñíîâàíèÿ âîäîïàäà âûñîòîé 1200 ì áîëüøå, ÷åì ó åãî âåðøèíû? Íà íàãðåâàíèå âîäû çàòðà÷èâàåòñÿ 70 % âûäåëèâøåéñÿ ýíåðãèè. Óäåëüíàÿ òåïëî¸ìêîñòü âîäû ñâ = 4200 Äæ/(êã • Ê).

Ð å ø å í è å. Ïðè óäàðå ïàäàþùåé âîäû ó îñíîâàíèÿ âîäîïàäà ÷àñòü ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè Åï = mgh èä¸ò íà íàãðåâàíèå âîäû: ηmgh = mcâΔt, îòêóäà Δt = ηgh/câ = 1,96 °Ñ.

Çàäà÷à 3. Ïîñòðîéòå ãðàôèê çàâèñèìîñòè òåìïåðàòóðû â êàëîðèìåòðå îò âðåìåíè, åñëè êîëè÷åñòâî òåïëîòû, ñîîáùàåìîé ñèñòåìå, ïîñòîÿííî è ðàâíî q = 100 Äæ/ñ.  êàëîðèìåòðå íàõîäèëñÿ ë¸ä ìàññîé 1 êã ïðè t1 = -20 °Ñ.

Ð å ø å í è å. Êîëè÷åñòâî òåïëîòû, íåîáõîäèìîé äëÿ íàãðåâàíèÿ ëüäà äî t = 0 °Ñ,

Q1 = ñëm(0 - (-20)) Äæ = 4,2 • 104 Äæ.

Ïðîìåæóòîê âðåìåíè, çà êîòîðûé ë¸ä íàãðååòñÿ äî 0 °Ñ, Δt1 = Q1/q = = 4,2 • 102 ñ = 0,12 ÷.

Êîëè÷åñòâî òåïëîòû, íåîáõîäèìîé äëÿ òàÿíèÿ ëüäà,

Q2 = λm = 3,3 • 105 Äæ.

Ïðîìåæóòîê âðåìåíè, çà êîòîðûé ë¸ä ïîëíîñòüþ ðàñòàåò, Δt2 = Q2/q = 3,3 • 103 ñ ≈ 0,92 ÷, t2 = 1,04 ÷.

Êîëè÷åñòâî òåïëîòû, íåîáõîäèìîé äëÿ íàãðåâàíèÿ âîäû îò 0 äî 100 °Ñ,

Q3 = ñâm(100 - 0) Äæ = 4,2 • 105 Äæ.

Ïðîìåæóòîê âðåìåíè, çà êîòîðûé ïðîèçîéä¸ò íàãðåâàíèå, Δt3 = Q3/q = 4,2 õ 103 ñ ≈ 1,2 ÷, t3 = 2,24 ÷.

Äëÿ èñïàðåíèÿ âîäû òðåáóåòñÿ êîëè÷åñòâî òåïëîòû

Q4 = rm = 2,26 • 106 Äæ.

Ãðàôèê çàâèñèìîñòè t

Ïðîìåæóòîê âðåìåíè, çà êîòîðûé ïðîèçîéä¸ò ïîëíîå èñïàðåíèå, Δt4 = 2,26 • 104 ñ ≈ 6,3 ÷, t4 = 8,54 ÷.

Çàòåì áóäåò ïðîèñõîäèòü íàãðåâàíèå ïàðà. Êîëè÷åñòâî òåïëîòû, íåîáõîäèìîé äëÿ íàãðåâàíèÿ ïàðà äî 120 °Ñ,

Q5 = ñïm(120 - 100) Äæ = 4,4 • 105 Äæ.

Ïðîìåæóòîê âðåìåíè, çà êîòîðûé ïðîèçîéä¸ò íàãðåâàíèå ïàðà, Δt5 = 4,4 • 103 ñ ≈ 1,2 ÷, t5 = 9,74 ÷.

Ïî ïîëó÷åííûì äàííûì ïîñòðîåí ãðàôèê çàâèñèìîñòè t (°Ñ) = ƒ(t) (ðèñ. 13.6).

Çàäà÷è äëÿ ñàìîñòîÿòåëüíîãî ðåøåíèÿ

1.  âîäó îáú¸ìîì 1 ë, òåìïåðàòóðà êîòîðîé 20 °Ñ, áðîñàþò êóñîê æåëåçà ìàññîé 100 ã, íàãðåòûé äî 500 °Ñ. Ïðè ýòîì òåìïåðàòóðà âîäû ïîâûøàåòñÿ äî 24 °Ñ è íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî å¸ îáðàùàåòñÿ â ïàð. Îïðåäåëèòå ìàññó îáðàòèâøåéñÿ â ïàð âîäû.

2. Ê ÷àéíèêó ñ êèïÿùåé âîäîé ïîäâîäèòñÿ åæåñåêóíäíî ýíåðãèÿ, ðàâíàÿ 1,13 êÄæ. Îïðåäåëèòå ñêîðîñòü èñòå÷åíèÿ ïàðà èç íîñèêà ÷àéíèêà, ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ êîòîðîãî ðàâíà 1 ñì2. Ïëîòíîñòü âîäÿíîãî ïàðà ñ÷èòàéòå ðàâíîé 1 êã/ì3.

3. Îïðåäåëèòå ìàññó ñíåãà, êîòîðûé ðàñòàåò ïðè òåìïåðàòóðå 0 °Ñ ïîä êîë¸ñàìè àâòîìîáèëÿ, åñëè àâòîìîáèëü áóêñóåò â òå÷åíèå 20 ñ, à íà áóêñîâêó èä¸ò 50% âñåé ìîùíîñòè? Ìîùíîñòü àâòîìîáèëÿ 1,7 • 104 Âò, óäåëüíàÿ òåïëîòà ïëàâëåíèÿ ëüäà 3,3 • 105 Äæ/êã.

4. Ñâèíöîâàÿ ïóëÿ ìàññîé 0,01 êã, ëåòÿùàÿ ãîðèçîíòàëüíî ñî ñêîðîñòüþ 500 ì/ñ, ïîïàäàåò â íåïîäâèæíûé ñòàëüíîé êóáèê ìàññîé 90 ã, ëåæàùèé íà ãëàäêîì ãîðèçîíòàëüíîì ñòîëå. ×åìó áóäåò ðàâíà òåìïåðàòóðà îáîèõ òåë ïîñëå óäàðà? Óäàð ñ÷èòàéòå àáñîëþòíî íåóïðóãèì, òåìïåðàòóðà ïóëè â ìîìåíò óäàðà 30 °Ñ, êóáèêà — 20 °Ñ. Ïîòåðÿìè òåïëà ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. Óäåëüíàÿ òåïëî¸ìêîñòü ñâèíöà 126 ÄæÄêã • Ê), ñòàëè — 460 Äæ/(êã • Ê).

5. Ïàð ìàññîé 1 êã ïðè 100 °Ñ âûïóñêàþò â õîëîäíóþ âîäó ìàññîé 12 êã. Òåìïåðàòóðà âîäû ïîñëå êîíäåíñàöèè â íåé ïàðà ïîäíÿëàñü äî 70 °Ñ. ×åìó áûëà ðàâíà ïåðâîíà÷àëüíàÿ òåìïåðàòóðà âîäû? Óäåëüíàÿ òåïëîòà ïàðîîáðàçîâàíèÿ âîäû 22,6 • 105 Äæ/êã, óäåëüíàÿ òåïëî¸ìêîñòü âîäû 4200 Äæ/(êã • Ê).

6. Ñ ïîìîùüþ ìåõàíè÷åñêîãî ìîëîòà ìàññîé 600 êã îáðàáàòûâàåòñÿ æåëåçíàÿ ïîêîâêà ìàññîé 205 êã. Çà 35 óäàðîâ ïîêîâêà íàãðåëàñü îò 10 äî 18 °Ñ. ×åìó ðàâíà ñêîðîñòü ìîëîòà â ìîìåíò óäàðà? Ñ÷èòàéòå, ÷òî íà íàãðåâàíèå ïîêîâêè çàòðà÷èâàåòñÿ 70% ýíåðãèè ìîëîòà. Óäåëüíàÿ òåïëî¸ìêîñòü æåëåçà 460 ÄæÄêã • Ê).

7.  êàëîðèìåòðå íàõîäèòñÿ âîäà ìàññîé 0,4 êã ïðè òåìïåðàòóðå 10 °Ñ.  âîäó ïîëîæèëè ë¸ä ìàññîé 0,6 êã ïðè òåìïåðàòóðå -40 °Ñ. Êàêàÿ òåìïåðàòóðà óñòàíîâèòñÿ â êàëîðèìåòðå, åñëè åãî òåïëî¸ìêîñòü íè÷òîæíî ìàëà?

8. Âîäîðîä, âçÿòûé â êîëè÷åñòâå 1 ìîëü, ïåðâîíà÷àëüíî èìåâøèé òåìïåðàòóðó 0 °Ñ, íàãðåâàåòñÿ ïðè ïîñòîÿííîì äàâëåíèè. Êàêîå êîëè÷åñòâî òåïëîòû íåîáõîäèìî ñîîáùèòü âîäîðîäó, ÷òîáû åãî îáú¸ì óäâîèëñÿ?

9. Âîäîðîä, îáú¸ì êîòîðîãî 1 ì3, íàõîäèòñÿ ïðè 0 °Ñ â öèëèíäðè÷åñêîì ñîñóäå, çàêðûòîì ñâåðõó ëåãêî ñêîëüçÿùèì ïîðøíåì ìàññîé 1 ò è ïëîùàäüþ ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ 0,5 ì2. Àòìîñôåðíîå äàâëåíèå 97,3 êÏà. Êàêîå êîëè÷åñòâî òåïëîòû ïîòðåáóåòñÿ íà íàãðåâàíèå âîäîðîäà äî 300 °Ñ? Îïðåäåëèòå èçìåíåíèå åãî âíóòðåííåé ýíåðãèè.

Îáðàçöû çàäàíèé ÅÃÝ

Ñ1. Âîäó ìàññîé 100 ã ïðè òåìïåðàòóðå 12 °Ñ ïîìåñòèëè â êàëîðèìåòð, ãäå íàõîäèëñÿ ë¸ä ïðè òåìïåðàòóðå -5 °Ñ. Ïîñëå óñòàíîâëåíèÿ òåïëîâîãî ðàâíîâåñèÿ òåìïåðàòóðà ëüäà ïîâûñèëàñü äî 0 °Ñ, íî ìàññà ëüäà íå èçìåíèëàñü. Ïðåíåáðåãàÿ ïîòåðÿìè òåïëà, îöåíèòå, ÷åìó áûëà ðàâíà íà÷àëüíàÿ ìàññà ëüäà â êàëîðèìåòðå. Óäåëüíàÿ òåïëî¸ìêîñòü ëüäà ðàâíà 2100 Äæ/(êã • Ê), óäåëüíàÿ òåïëî¸ìêîñòü âîäû ðàâíà 4200 Äæ/(êã • Ê).

Ñ2. Äëÿ îõëàæäåíèÿ ëèìîíàäà ìàññîé 200 ã â íåãî áðîñàþò êóáèêè ëüäà ïðè 0 °Ñ. Ìàññà êàæäîãî êóáèêà 8 ã. Ïåðâîíà÷àëüíàÿ òåìïåðàòóðà ëèìîíàäà 30 °Ñ. Ñêîëüêî öåëûõ êóáèêîâ íàäî áðîñèòü â ëèìîíàä, ÷òîáû óñòàíîâèëàñü òåìïåðàòóðà 15 °Ñ? Òåïëîâûå ïîòåðè íå ó÷èòûâàéòå. Óäåëüíàÿ òåïëî¸ìêîñòü ëèìîíàäà òàêàÿ æå, êàê ó âîäû. Óäåëüíàÿ òåïëî¸ìêîñòü âîäû 4200 Äæ/(êã • Ê), óäåëüíàÿ òåïëîòà ïëàâëåíèÿ ëüäà 330 êÄæ/êã.

Ñ3. ñîñóä ñ âîäîé îïóùåíà òðóáêà. Ïî òðóáêå ÷åðåç âîäó ïðîïóñêàþò ïàð ïðè òåìïåðàòóðå 100 °Ñ. Âíà÷àëå ìàññà âîäû óâåëè÷èâàåòñÿ, íî â íåêîòîðûé ìîìåíò, ìàññà âîäû ïåðåñòà¸ò óâåëè÷èâàòüñÿ, õîòÿ ïàð ïî-ïðåæíåìó ïðîïóñêàþò. Ïåðâîíà÷àëüíàÿ ìàññà âîäû 230 ã, à å¸ ïåðâîíà÷àëüíàÿ òåìïåðàòóðà 0 °Ñ. Íà ñêîëüêî óâåëè÷èëàñü ìàññà âîäû? Óäåëüíàÿ òåïëî¸ìêîñòü âîäû 4200 Äæ/(êã • Ê), óäåëüíàÿ òåïëîòà ïàðîîáðàçîâàíèÿ âîäû 2300 êÄæ/êã.

Ñ4. Ïðè êàêîé ñêîðîñòè ïóëÿ èç ñâèíöà ïîëíîñòüþ ðàñïëàâèòñÿ ïðè óäàðå î ñòåíêó, åñëè 80 % å¸ ýíåðãèè áóäåò çàòðà÷åíî íà íàãðåâàíèå ïóëè? Íà÷àëüíàÿ òåìïåðàòóðà ïóëè 27 °Ñ, òåìïåðàòóðà ïëàâëåíèÿ ñâèíöà 327 °Ñ, óäåëüíàÿ òåïëî¸ìêîñòü 130 Äæ/(êã • Ê), óäåëüíàÿ òåïëîòà ïëàâëåíèÿ 25 êÄæ/êã.

 

 

Ðåéòèíã@Mail.ru



Ñîäåðæàíèå

!-- Step 2 - Decide on the place where you want to place the video -->
. Âàæíî, ÷òîáû ñêðèïò áûë ïîñëå áëîêà. Íàïðèìåð, ìîæíî ðàçìåñòèòü ïåðåä òåãîì -->