Вопрос задан 10.04.2025 в 21:09. Предмет Физика. Спрашивает Байбородин Глеб.

В калориметр с водой (масса воды M  200 г ) при температуре T1  303 К опускается кусок льда массы m 100 г , имеющий темпера- туру T0  273 К . Определить температуру, которая установится в кало- риметре, а также массы воды и льда в конце опыта. Опыт проводится при нормальном внешнем давлении. Теплоёмкостью калориметра пре- небречь.

Перейти к ответам

Ответы на вопрос

Отвечает Муждабаева Эльзара.

Для решения задачи воспользуемся принципом сохранения энергии: вся теплота, передающаяся от воды к льду, идет на его плавление и нагрев.

1. Дано:

  • Масса воды M=200гM = 200 \, \text{г},
  • Начальная температура воды T1=303КT_1 = 303 \, \text{К},
  • Масса льда m=100гm = 100 \, \text{г},
  • Начальная температура льда T0=273КT_0 = 273 \, \text{К},
  • Температура плавления льда Tпл=273КT_{\text{пл}} = 273 \, \text{К},
  • Теплота плавления льда Lf=334кДж/кгL_f = 334 \, \text{кДж/кг},
  • Удельная теплоёмкость воды cвода=4.18кДж/(кг\cdotpК)c_{\text{вода}} = 4.18 \, \text{кДж/(кг·К)}.

Предположим, что в ходе эксперимента вода отдаёт тепло льду, который плавится и затем нагревается до температуры, при которой термодинамическое равновесие установится между водой и льдом. Установим эту температуру.

2. Этапы решения:

a) Теплота, отдаваемая водой:

Для вычисления тепла, которое отдаст вода при охлаждении, используем формулу:

Qвода=Mcвода(T1Tп),Q_{\text{вода}} = M \cdot c_{\text{вода}} \cdot (T_1 - T_{\text{п}}),

где TпT_{\text{п}} — конечная температура системы, к которой мы стремимся найти решение.

b) Теплота, необходимая для плавления льда:

Для плавления льда используем формулу:

Qплавление=mLf.Q_{\text{плавление}} = m \cdot L_f.

c) Теплота, необходимая для нагрева воды из льда:

После того как лёд растает, его температура будет равна 273 K, и для того чтобы довести его до температуры TпT_{\text{п}}, нужно затратить тепло:

Qнагрев=mcвода(TпT0).Q_{\text{нагрев}} = m \cdot c_{\text{вода}} \cdot (T_{\text{п}} - T_0).

d) Условие теплового баланса:

Так как мы предполагаем, что система изолирована, то вся теплота, которая отдаётся водой, должна идти на плавление льда и нагрев его до температуры TпT_{\text{п}}. Тогда у нас есть уравнение теплового баланса:

Qвода=Qплавление+Qнагрев.Q_{\text{вода}} = Q_{\text{плавление}} + Q_{\text{нагрев}}.

Подставим выражения для теплот:

Mcвода(T1Tп)=mLf+mcвода(TпT0).M \cdot c_{\text{вода}} \cdot (T_1 - T_{\text{п}}) = m \cdot L_f + m \cdot c_{\text{вода}} \cdot (T_{\text{п}} - T_0).

e) Решение уравнения:

Подставим известные значения:

2004.18(303Tп)=100334+1004.18(Tп273).200 \cdot 4.18 \cdot (303 - T_{\text{п}}) = 100 \cdot 334 + 100 \cdot 4.18 \cdot (T_{\text{п}} - 273).

Упростим:

836(303Tп)=33400+418(Tп273).836 \cdot (303 - T_{\text{п}}) = 33400 + 418 \cdot (T_{\text{п}} - 273).

Распишем:

836303836Tп=33400+418Tп418273.836 \cdot 303 - 836 \cdot T_{\text{п}} = 33400 + 418 \cdot T_{\text{п}} - 418 \cdot 273.

Вычислим числа:

253,108836Tп=33400+418Tп114,114.253,108 - 836 \cdot T_{\text{п}} = 33400 + 418 \cdot T_{\text{п}} - 114,114. 253,108836Tп=219,286+418Tп.253,108 - 836 \cdot T_{\text{п}} = 219,286 + 418 \cdot T_{\text{п}}.

Переносим все слагаемые с TпT_{\text{п}} в одну сторону:

253,108219,286=836Tп+418Tп.253,108 - 219,286 = 836 \cdot T_{\text{п}} + 418 \cdot T_{\text{п}}. 33,822=1254Tп.33,822 = 1254 \cdot T_{\text{п}}.

Похожие вопросы

Топ вопросов за вчера в категории Физика

Последние заданные вопросы в категории Физика

Задать вопрос