Вопрос задан 27.12.2024 в 07:45. Предмет Физика. Спрашивает Сейтова Динара.

В калориметр, содержащий 200 г воды при температуре 8 C, опускают 100 г льда, температура которого равна  (- 20 C) . Какая температура установится в калориметре? Каково будет содержимое калориметра после установления теплового равновесия?

Перейти к ответам

Ответы на вопрос

Отвечает Мельцына Светлана.

Для решения этой задачи необходимо учитывать несколько стадий, через которые пройдут вода и лед, чтобы достичь теплового равновесия:

  1. Нагревание льда от начальной температуры -20°C до 0°C.
  2. Плавление льда при температуре 0°C.
  3. Нагревание воды изо льда после его плавления, если останется избыточное тепло.

Задача состоит в нахождении конечной температуры системы и определения, будет ли содержимое калориметра полностью жидким или частично твердым.

Дано:

  • Масса воды, m1=200m_1 = 200 г.
  • Начальная температура воды, t1=8∘Ct_1 = 8^\circ \text{C}.
  • Масса льда, m2=100m_2 = 100 г.
  • Начальная температура льда, t2=−20∘Ct_2 = -20^\circ \text{C}.
  • Удельная теплоемкость воды, c1=4.2 Дж/(г\cdotp°C)c_1 = 4.2 \, \text{Дж/(г·°C)}.
  • Удельная теплоемкость льда, c2=2.1 Дж/(г\cdotp°C)c_2 = 2.1 \, \text{Дж/(г·°C)}.
  • Удельная теплота плавления льда, λ=334 Дж/г\lambda = 334 \, \text{Дж/г}.

Шаг 1. Определим количество тепла, необходимое для нагревания льда до 0°C

Используем формулу для вычисления количества тепла, необходимого для нагрева тела:

Q1=m2⋅c2⋅ΔtQ_1 = m_2 \cdot c_2 \cdot \Delta t

где Δt=0−(−20)=20∘C\Delta t = 0 - (-20) = 20^\circ \text{C}.

Подставляем значения:

Q1=100 г⋅2.1 Дж/(г\cdotp°C)⋅20∘C=4200 ДжQ_1 = 100 \, \text{г} \cdot 2.1 \, \text{Дж/(г·°C)} \cdot 20^\circ \text{C} = 4200 \, \text{Дж}

Шаг 2. Определим количество тепла, необходимое для плавления льда

Чтобы растопить лед массой m2=100m_2 = 100 г, нужно количество тепла:

Q2=m2⋅λQ_2 = m_2 \cdot \lambda

Подставляем значения:

Q2=100 г⋅334 Дж/г=33400 ДжQ_2 = 100 \, \text{г} \cdot 334 \, \text{Дж/г} = 33400 \, \text{Дж}

Шаг 3. Определим количество тепла, которое может отдать вода

Количество тепла, которое может отдать вода, охлаждаясь от 8°C до 0°C, рассчитывается по формуле:

Q3=m1⋅c1⋅ΔtQ_3 = m_1 \cdot c_1 \cdot \Delta t

где Δt=8∘C\Delta t = 8^\circ \text{C}.

Подставляем значения:

Q3=200 г⋅4.2 Дж/(г\cdotp°C)⋅8∘C=6720 ДжQ_3 = 200 \, \text{г} \cdot 4.2 \, \text{Дж/(г·°C)} \cdot 8^\circ \text{C} = 6720 \, \text{Дж}

Шаг 4. Анализируем возможное тепловое равновесие

Теперь суммируем тепловые затраты на стадии нагрева и плавления льда и сравниваем с количеством тепла, которое вода может отдать.

  1. Тепло на нагрев льда до 0°C: Q1=4200Q_1 = 4200 Дж.
  2. Тепло на плавление льда: Q2=33400Q_2 = 33400 Дж.
  3. Тепло, которое может отдать вода: Q3=6720Q_3 = 6720 Дж.

Поскольку Q1+Q2=4200+33400=37600Q_1 + Q_2 = 4200 + 33400 = 37600 Дж, а Q3=6720Q_3 = 6720 Дж, видно, что воды недостаточно для полного плавления льда и достижения теплового равновесия при положительной температуре.

Вывод:

После установления теплового равновесия в калориметре останется смесь воды и льда при температуре 0°C. Вода отдаст всё свое тепло (6720 Дж), нагреет лед до 0°C и частично его растопит, но часть льда останется твердой.

Похожие вопросы

Топ вопросов за вчера в категории Физика

Последние заданные вопросы в категории Физика

Задать вопрос