Calcul de la quantité de chaleur. Efficacité du chauffage

Même substance dans monde réel en fonction des conditions environnementales, cela peut être divers états. Par exemple, l'eau peut être sous forme de liquide, dans l'idée d'un solide - glace, sous forme de gaz - vapeur d'eau.

• Ces états sont appelés états globaux de la matière.

Les molécules d'une substance dans différents états d'agrégation ne sont pas différentes les unes des autres. Spécifique état d'agrégation déterminé par l'emplacement des molécules, ainsi que par la nature de leur mouvement et de leur interaction les unes avec les autres.

Gaz - la distance entre les molécules est importante plus de tailles les molécules elles-mêmes. Les molécules d’un liquide et d’un solide sont situées assez proches les unes des autres. Dans les solides, c'est encore plus proche.

Pour changer l'agrégat État corporel, il doit transmettre de l'énergie. Par exemple, pour transformer l’eau en vapeur, elle doit être chauffée. Pour que la vapeur redevienne de l’eau, elle doit renoncer à de l’énergie.

Transition du solide au liquide

La transition d’une substance du solide au liquide est appelée fusion. Pour qu’un corps commence à fondre, il doit être chauffé à une certaine température. La température à laquelle une substance fond est est appelé le point de fusion d’une substance.

Chaque substance a son propre point de fusion. Pour certains corps, il est très faible, par exemple pour la glace. Et certains corps ont un point de fusion très élevé, par exemple le fer. En général, faire fondre un corps cristallin est un processus complexe.

Graphique de fonte des glaces

La figure ci-dessous montre un graphique de la fusion d'un corps cristallin, en dans ce cas glace.

• Le graphique montre la dépendance de la température de la glace en fonction du temps pendant lequel elle est chauffée. La température est affichée sur l'axe vertical et l'heure est affichée sur l'axe horizontal.

D'après le graphique, la température initiale de la glace était de -20 degrés. Puis ils ont commencé à le réchauffer. La température a commencé à monter. La section AB est la section où la glace est chauffée. Au fil du temps, la température a augmenté jusqu’à 0 degré. Cette température est considérée comme le point de fusion de la glace. À cette température, la glace a commencé à fondre, mais sa température a cessé d'augmenter, même si la glace a également continué à se réchauffer. La zone de fusion correspond à la zone BC sur le graphique.

Puis, lorsque toute la glace a fondu et s’est transformée en liquide, la température de l’eau a recommencé à augmenter. Ceci est montré sur le graphique par le rayon C. Autrement dit, nous concluons que pendant la fonte, la température corporelle ne change pas, tout arrive l'énergie va pour fondre.

La résolution des problèmes d’ébullition et de condensation est à bien des égards similaire à la résolution des problèmes de fusion et de solidification. Cela aide les étudiants à développer notions pertinentes Et compétences pratiques. Dans le même temps, si l'assimilation du matériau n'est pas suffisamment forte et profonde, lorsque les caractéristiques et les spécificités de chacun des processus nommés, par exemple l'évaporation et l'ébullition, ne sont pas soulignées, une « interférence » indésirable de compétences similaires est observée. , mélange ou identification erronée par les élèves de concepts similaires.

L’enseignant doit y prêter une attention particulière. L'un des moyens d'éliminer cette lacune est de résoudre, lors de la répétition, des problèmes combinés dans lesquels sont considérées toutes les transformations globales étudiées de la matière (n° 222, 223).

La plupart des problèmes sont des problèmes de calcul qualitatifs ou simples dans lesquels il faut déterminer, par ex.

la quantité de chaleur nécessaire pour convertir une certaine masse de liquide en vapeur lors de l'ébullition.

La tâche la plus difficile consiste à calculer la chaleur spécifique de vaporisation. Ce problème doit être résolu en classe avec l’aide de l’enseignant. Pour faciliter les calculs, vous pouvez omettre les données du calorimètre de la condition.

217. Des graphiques de chauffage et d'ébullition de l'eau, de l'alcool et de l'éther sont donnés (Fig. 32). Déterminez quel graphique est construit pour chacun de ces liquides.

218. Lequel a le plus d'énergie interne : de l'eau ou de la vapeur, prises en quantités égales à Vérifiez expérimentalement vos conclusions.

Solution. Pour transformer l’eau en vapeur, elle doit lui transmettre une certaine quantité de chaleur. L’énergie interne de la vapeur est donc plus grande. Pour vérifier, faisons passer une certaine quantité de vapeur dans un verre d'eau d'une chaudière, notez nouveau niveau l'eau et les changements de sa température. Dans un autre verre avec le même quantité initiale Versez autant d'eau bouillante qu'elle s'est condensée à cause de la vapeur. La température de l'eau changera beaucoup moins dans le second cas que dans le premier.

219. Quelle quantité d'énergie est nécessaire pour se transformer en vapeur au point d'ébullition et à la pression normale de l'eau ? alcool? éther? Quelle quantité d'énergie sera nécessaire pour transformer ces liquides en vapeur s'ils sont d'abord chauffés à ébullition à partir de

Solution. À l’aide du tableau de chaleur spécifique de vaporisation, l’élève doit d’abord résoudre oralement la première partie du problème en raisonnant de la manière suivante. Se transformer en vapeur

Il faut donc de l'eau à ébullition. Par conséquent, pour transformer l'eau en vapeur, il faut dépenser 10 fois plus d'énergie. La valeur de la quantité de chaleur pour l'alcool et l'éther se trouve de la même manière. Ensuite, vous devriez utiliser la formule

La deuxième partie du problème est résolue comme suit. Quantité totale d'énergie dépensée

De même, trouvez la quantité totale de chaleur nécessaire pour convertir l’alcool et l’éther en vapeur.

Lorsque vous résolvez un problème, vous devez faire attention Attention particulière sur la capacité des élèves à utiliser et à comprendre les tableaux signification physique les quantités qui y sont indiquées.

220. Versez de l'eau dans un tube à essai et mesurez sa température. Chauffez le tube à essai, en notant l'heure, d'abord jusqu'à ébullition, puis jusqu'à ce que toute l'eau se transforme en vapeur. À l'aide de données expérimentales, déterminez approximativement la chaleur spécifique de vaporisation, comparez-la avec le tableau et indiquez les raisons qui ont réduit la précision du résultat.

Solution. Dans l'une des expériences, les données suivantes ont été obtenues. Température initiale Temps de chauffage jusqu'à ébullition - 2,5 minutes, temps d'ébullition - 20 minutes.

Chaleur utilisée pour chauffer l’eau ; chaleur nécessaire à la formation de vapeur.

En considérant que la quantité de chaleur dégagée par le radiateur est proportionnelle au temps de chauffe, on obtient :

La précision du résultat a été réduite par un certain nombre de facteurs : eau chaude dégage plus de chaleur environnement, que le froid, donc la quantité de chaleur reçue par l'eau n'est pas strictement proportionnelle au temps. Lorsqu'il reste peu d'eau dans le tube à essai, un grand nombre de La chaleur est utilisée pour chauffer l’air et le tube à essai lui-même.

221. Réalisation travail de laboratoire, l'étudiant a introduit de la vapeur dans un calorimètre contenant de l'eau à 100 °C. En conséquence, la température de l'eau a augmenté jusqu'à Quelle valeur de la chaleur spécifique de vaporisation sera obtenue selon les données de cette expérience si la masse d'eau augmentait de

Le problème doit être résolu au tableau avec des questions, en écrivant les formules :

Si l'élève maîtrise bien ces formules, il n'est alors pas nécessaire de les réécrire davantage en fonction de chaque cas précis : il peut immédiatement les substituer dans les formules. valeurs numériques quantités Cette remarque est également vraie pour les classes supérieures, puisque la résolution d'équations calorimétriques en vue générale s'avère souvent trop encombrant.

1. Quelle quantité de chaleur la vapeur a-t-elle cédée lors de la condensation ?

2. Quelle quantité de chaleur l'eau formée à partir de la vapeur a-t-elle cédée lors du refroidissement ?

3. Quelle quantité de chaleur l’eau a-t-elle reçue ?

Puisque la quantité de chaleur dégagée par la vapeur et l'eau résultante lors de la condensation est égale à la quantité de chaleur reçue par l'eau dans le calorimètre, on peut écrire :

222. Quelle quantité de chaleur est nécessaire pour transformer la glace prise en vapeur ? Construisez un graphique approximatif du processus.

223. Quelle quantité de chaleur sera dégagée lors de la condensation de 200 g de vapeur prélevée lors de la transformation ultérieure de l'eau en glace ? Établissez un calendrier approximatif du processus.

Calcul de la quantité de chaleur. Efficacité du chauffage

892. Quelle masse de mercure a la même capacité calorifique que 13 kg d'alcool ? La capacité thermique spécifique de l'alcool est de 2440 J/(kgK), la capacité thermique spécifique du mercure est de 130 J/(kgK). (244)

893. Lorsque deux corps identiques se frottent l’un contre l’autre, leur température au bout d’une minute augmente de 30°C. Quelle est la puissance moyenne développée dans les deux corps lors du frottement ? La capacité thermique de chaque corps est de 800 J/K. (800)

894. Sur une cuisinière électrique de 600 W, 3 litres d'eau sont portés à ébullition en 40 minutes. La température initiale de l'eau est de 20°C. La capacité thermique spécifique de l’eau est de 4 200 J/(kgK). Déterminez l’efficacité (en pourcentage) de l’installation. (70)

895. Lors du perçage du métal avec une perceuse à main, une perceuse pesant 0,05 kg chauffe de 20°C en 200 s opération continue. La puissance moyenne consommée par une perceuse sur secteur lors du perçage est de 10 W. Quel pourcentage de l'énergie dépensée a été utilisé pour chauffer le foret, si la capacité thermique spécifique du matériau du foret est de 460 J/(kgK) ? (23)

896. Lors du fonctionnement d'un moteur électrique d'une puissance de 400 W, il chauffe de 10 K en 50 secondes de fonctionnement continu. Quel est le rendement (en pourcentage) du moteur ? La capacité thermique du moteur est de 500 J/K. (75)

897. Un transformateur immergé dans l'huile commence à chauffer en raison d'une surcharge. Quelle est son efficacité (en pourcentage), si à pleine puissance L'huile de 60 kW pesant 60 kg chauffe-t-elle de 30°C en 4 minutes de fonctionnement du transformateur ? La capacité thermique spécifique de l'huile est de 2 000 J/(kgK). (75)

898. Le générateur émet des impulsions ultra haute fréquence avec une énergie dans chaque impulsion 6 J. Fréquence de répétition des impulsions 700 Hz. L'efficacité du générateur est de 60 %. Combien de litres d'eau par heure doivent passer par le système de refroidissement du générateur pour que l'eau ne chauffe pas à plus de 10 K ? La capacité thermique spécifique de l’eau est de 4 200 J/(kg K). (240)

899. Quelle quantité de glace, prise à une température de 0°C, peut-elle fondre en lui donnant une énergie de 0,66 MJ ? La chaleur spécifique de fonte de la glace est de 330 kJ/kg. (2)

900. Lorsque 100 kg d’acier se solidifient à son point de fusion, 21 MJ de chaleur sont dégagés. Qu'est-ce que chaleur spécifique fusion (en kJ/kg) de l'acier ? (210)

901. Quelle quantité de chaleur (en kJ) faut-il transmettre à 2 kg de glace prélevés à une température de 10°C pour les faire fondre complètement ? La capacité thermique spécifique de la glace est de 2 100 J/(kgK), la chaleur spécifique de fonte de la glace est de 330 kJ/kg. (702)

902. Pour transformer une certaine quantité de glace prélevée à une température de 50°C en eau à une température de 50°C, il faut 645 kJ d’énergie. Quelle est la masse de glace ? La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4200 J/(kgK), la capacité thermique spécifique de la glace est de 2100 J/(kgK), la chaleur spécifique de fonte de la glace est de 3,310 5 J/kg. (1)

903. Quelle quantité de chaleur (en kJ) est nécessaire pour convertir 0,1 kg d’eau bouillante en vapeur ? La chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,26 MJ/kg. (226)

904. Quelle quantité de chaleur (en kJ) sera libérée lorsque 0,2 kg de vapeur d'eau se condensera à une température de 100°C ? La chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,310 6 J/kg. (460)

905. Quelle quantité de chaleur (en kJ) faut-il ajouter à 1 kg d'eau prélevé à 0°C pour le chauffer à 100°C et l'évaporer complètement ? La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4200 J/(kgK), la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,310 6 J/kg. (2720)

906. Pour chauffer de l'eau prélevée à une température de 20°C et la transformer en vapeur, 2 596 kJ d'énergie ont été consommés. Déterminez la masse d’eau. La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4 200 J/(kgK), la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,26 MJ/kg. (1)

907. Un four électrique d'une puissance de 100 kW est utilisé pour fondre une tonne d'acier. Combien de minutes dure la fusion si le lingot doit être chauffé à 1500 K avant de commencer la fusion ? La capacité thermique spécifique de l'acier est de 460 J/(kgK), la chaleur spécifique de fusion de l'acier est de 210 kJ/kg. (150)

908. Pour chauffer une certaine masse d’eau de 0°C à 100°C, il faut 8400 J de chaleur. Quelle quantité de chaleur supplémentaire (en kJ) est nécessaire pour évaporer complètement cette eau ? La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4 200 J/(kg K), la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2 300 kJ/kg. (46)

909. Il a fallu 21 minutes pour refroidir l'eau du réfrigérateur de 33°C à 0°C. Combien de temps faudra-t-il pour transformer ensuite cette eau en glace ? Capacité thermique spécifique de l'eau 4200 J/(kg K), chaleur spécifique de fonte de la glace 3,3 10 5 J/kg. Donnez la réponse en quelques minutes. (50)

910. Un récipient contenant de l'eau est chauffé sur une cuisinière électrique de 20°C jusqu'à ébullition en 20 minutes. Combien de temps supplémentaire (en minutes) faut-il pour transformer 42 % de l’eau en vapeur ? La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4200 J/(kgK), la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,210 6 J/kg. (55)

911. Calculer le rendement (en pourcentage) d'un brûleur à gaz s'il utilise du gaz avec un pouvoir calorifique spécifique de 36 MJ/m 3 , et chauffer une bouilloire avec 3 litres d'eau de 10°C jusqu'à ébullition nécessitait 60 litres de gaz. La capacité thermique de la bouilloire est de 600 J/K. La capacité thermique spécifique de l’eau est de 4 200 J/(kg K). (55)

912. Pour faire fonctionner une machine à vapeur, 210 kg de charbon sont consommés en 1 heure. La machine est refroidie par de l'eau, qui a une température d'entrée de 17°C et une température de sortie de 27°C. Déterminer la consommation d'eau (en kg) en 1 s si on en utilise 24% pour la chauffer nombre total chaleur. La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4 200 J/(kgK), la chaleur spécifique de combustion du charbon est de 30 MJ/kg. (dix)

913. Combien de kilomètres parcourront 10 kg d'essence pour un moteur de voiture qui développe une puissance de 69 kW à une vitesse de 54 km/h et a un rendement de 40 % ? La chaleur spécifique de combustion de l'essence est de 4,610 7 J/kg. (40)

914. À impact inélastique En heurtant le mur, une balle d'une vitesse de 50 m/s s'est réchauffée de 10°C. En supposant que la balle a reçu toute l’énergie libérée lors de l’impact, déterminez la capacité thermique spécifique du matériau de la balle. (125)

915. Deux balles identiques ont touché un mur. La première balle chauffe de 0,5 K, la seconde de 8 K. Combien de fois la vitesse de la deuxième balle est-elle supérieure à celle de la première, si toute l'énergie des balles est dépensée pour les chauffer ? (4)

916. Une balle avec une énergie cinétique de 100 J frappe le mur et s'échauffe de 0,5 K. Quel pourcentage (pourcentage) de l'énergie de la balle a servi à la chauffer si la capacité thermique de la balle est de 20 J/K ? (dix)

917. Quelle est la hauteur de la cascade si la température de l’eau à sa base est 0,05°C plus élevée qu’au sommet ? Considérez que tout énergie mécanique va au chauffage de l’eau. Capacité thermique spécifique de l'eau 4200 J/(kg K), g= 10 m/s 2 . (21)

918. À quelle hauteur pourrait-on élever une charge de 100 kg s'il était possible de convertir complètement l'énergie libérée lorsqu'un verre d'eau est refroidi de 100°C à 20°C en travail ? La masse d'eau dans un verre est de 250 g, la capacité thermique spécifique de l'eau est de 4200 J/(kg K), la capacité thermique du verre n'est pas prise en compte. g= 10 m/s 2 . (84)

919. Un marteau d'une masse de 2000 kg est lâché d'une hauteur de 1 m sur un bloc métallique d'une masse de 2 kg. Suite à l'impact, la température du flan augmente de 25°C. En supposant que 50 % de l’énergie totale libérée sert à chauffer le lingot, déterminez la capacité thermique spécifique du matériau du lingot. g = 10 m/s 2 . (200)

920. Une balle de pâte à modeler est lancée à une vitesse de 10 m/s selon un angle de 45° par rapport à l'horizontale vers un mur vertical situé à une distance de 8 m du point de lancement (horizontalement). De combien de degrés (en mK) la balle va-t-elle chauffer si elle colle au mur ? Supposons que toute l’énergie cinétique de la balle soit utilisée pour la chauffer. La capacité thermique spécifique de la pâte à modeler est de 250 J/(kgK). g = 10 m/s 2 . (136)

921. Une balle de plomb se déplaçant à une vitesse de 500 m/s perce un mur. Déterminez de combien de degrés la balle s'est réchauffée si sa vitesse diminuait à 300 m/s. Supposons que 50 % de la chaleur dégagée ait été utilisée pour chauffer la balle. La capacité thermique spécifique du plomb est de 160 J/(kgK). (250)

922. Une balle volant horizontalement à une vitesse de 500 m/s perce une planche à une hauteur de 20 cm du sol. Dans le même temps, la température de la balle a augmenté de 200°C. En supposant que toute la chaleur dégagée lors de l'impact a été utilisée pour chauffer la balle, déterminez à quelle distance (horizontalement) du point d'impact la balle est tombée au sol. La capacité thermique spécifique du matériau de la balle est de 400 J/(kgK). g = 10 m/s 2 . (60)

923. Le corps glisse plan incliné 260 m de long et 60° d'inclinaison. Le coefficient de frottement sur l'avion est de 0,2. Déterminez de combien de degrés la température corporelle augmentera si 50 % de la chaleur dégagée est utilisée pour le réchauffer. La capacité thermique spécifique du matériau à partir duquel le corps est fabriqué est de 130 J/(kg K). g= 10 m/s2. (1)

924. Deux boules identiques constituées d'une substance avec la capacité thermique spécifique 450 J/(kg K), se déplaçant l'un vers l'autre à des vitesses de 40 m/s et 20 m/s. Déterminez de combien de degrés ils chaufferont à la suite de la collision inélastique. (1)

925. Une balle d'une masse de 10 g, volant horizontalement à une vitesse de 400 m/s, heurte un bloc de bois d'une masse de 990 g suspendu à un fil et s'y coince. De combien de degrés la balle chauffera-t-elle si 50 % de la chaleur dégagée était utilisée pour la chauffer ? La capacité thermique spécifique du matériau de la balle est de 200 J/(kgK). (198)

926. À quelle vitesse une balle doit-elle se déplacer pour fondre lorsqu’elle touche un mur ? La capacité thermique spécifique du matériau de la balle est de 130 J/(kgK), la chaleur spécifique de fusion est de 22,25 kJ/kg, le point de fusion est de 327°C. La température de la balle avant impact est de 152°C. Supposons que toute la chaleur dégagée lors de l’impact ait été utilisée pour chauffer la balle. (300)

927. De quelle hauteur (en km) une boule d'étain doit-elle tomber pour fondre complètement lorsqu'elle touche la surface ? Supposons que 50 % de l'énergie de la balle soit consacrée au chauffage et à la fusion. La température initiale de la balle est de 32°C. Le point de fusion de l'étain est de 232°C, sa capacité thermique spécifique est de 200 J/(kg K), la chaleur spécifique de fusion est de 58 kJ/kg. g= 9,8 m/s 2 . (20)

928. À quelle vitesse une boulette de plomb doit-elle s'échapper d'une arme à feu lorsqu'elle est tirée verticalement depuis une hauteur de 300 m pour que lorsqu'elle touche un corps inélastique, la boulette fonde ? Supposons que la chaleur dégagée lors de l'impact soit répartie également entre le pellet et le corps. La température initiale du pellet est de 177°C. Le point de fusion du plomb est de 327°C, sa capacité thermique spécifique est de 130 J/(kgK), la chaleur spécifique de fusion est de 22 kJ/kg. g = 10 m/s 2 . (400)

929. Lorsqu'il est tiré avec une arme à feu, un tir pesant 45 g s'envole à une vitesse de 600 m/s. Quel pourcentage de l'énergie libérée lors de la combustion d'une charge de poudre pesant 9 g représente l'énergie cinétique du tir ? La chaleur spécifique de combustion de la poudre à canon est de 3 MJ/kg. (trente)

930. Moteur avion à réaction avec un rendement de 20% en vol à une vitesse de 1800 km/h, il développe une force de poussée de 86 kN. Déterminez la consommation (en tonnes) de kérosène pour 1 heure de vol. La chaleur de combustion du kérosène est de 4,310 7 J/kg. (18)

931. La charge d'un canon à longue portée contient 150 kg de poudre à canon. Poids du projectile 420 kg. Quelle est la portée maximale possible (en km) d'un projectile si l'efficacité du canon est de 25 % ? La chaleur spécifique de combustion de la poudre à canon est de 4,2 MJ/kg. g = 10 m/s 2 . Ignorez la résistance de l’air. (75)
L'équation bilan thermique

a) Chauffage et refroidissement

932. 2 kg d'eau à une température de 50°C et 3 kg d'eau à une température de 30°C ont été mélangés dans un calorimètre. Trouver la température (en °C) du mélange. Ignorez la capacité thermique du calorimètre. (38)

933. 210 kg d'eau à 10°C ont été versés dans le bain. Quelle quantité d'eau à 100°C faut-il ajouter dans le bain pour que l'équilibre thermique s'établisse à 37°C ? (90)

934. Il faut mélanger de l'eau à une température de 50°C et de l'eau à une température de 10°C pour que la température du mélange soit égale à 20°C. Combien de fois dois-je en prendre davantage ? eau froide que chaud ? (3)

935. Pour préparer un bain d'une capacité de 200 litres, de l'eau froide à 10°C a été mélangée à de l'eau chaude à 60°C. Combien de litres d'eau froide faut-il prendre pour que la température du bain atteigne 40°C ? (80)

936. Un corps chaud à 50°C est mis en contact avec un corps froid à 10°C. Après avoir atteint équilibre thermique la température a été fixée à 20°C. Combien de fois est la capacité thermique d'un corps froid plus de capacité thermique chaud? (3)

937. Un corps en cuivre, chauffé à 100°C, est plongé dans de l'eau dont la masse est égale à la masse du corps en cuivre. L'équilibre thermique s'est produit à une température de 30°C. Déterminez la température initiale (en °C) de l’eau. La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4200 J/(kgK), celle du cuivre de 360 ​​J/(kgK). (24)

938. Déterminez la température initiale (en Kelvin) d'un étain pesant 0,6 kg si, lorsqu'elle est immergée dans de l'eau pesant 3 kg à une température de 300 K, l'eau est chauffée de 2 K. La capacité thermique spécifique de l'étain est de 250 J/(kg K), l'eau est de 4200 J/( kgK). (470)

939. 0,1 kg d'eau a été versé dans le récipient à une température de 60°C, après quoi la température de l'eau est tombée à 55°C. En supposant que la capacité thermique du récipient est de 70 J/K et que la chaleur spécifique de l'eau est de 4 200 J/(kgK), trouvez la température initiale (en °C) du récipient. (25)

940. Pour mesurer la température d'une eau pesant 20 g, on y plongeait un thermomètre qui indiquait 32,4°C. Quelle est la température réelle (en °C) de l'eau si la capacité thermique du thermomètre est de 2,1 J/K et qu'avant immersion dans l'eau, il indiquait une température ambiante de 8,4 °C ? La capacité thermique spécifique de l’eau est de 4 200 J/(kgK). (33)

941. Un thermomètre indiquant une température de 22°C est immergé dans l'eau, après quoi il indique une température de 70°C. Quelle était la température (en °C) de l’eau avant l’immersion du thermomètre ? La masse d'eau est de 40 g, la chaleur spécifique de l'eau est de 4200 J/(kg K), la capacité thermique du thermomètre est de 7 J/K. (72)

942. Après avoir plongé un corps chauffé à 100°C dans de l'eau à une température de 10°C, la température atteignait 40°C. Quelle sera la température (en °C) de l'eau si, sans retirer le premier corps, vous y plongez un autre corps similaire, également chauffé à 100°C ? (55)

943. Un corps chauffé à 110°C était descendu dans un récipient rempli d'eau, ce qui faisait passer la température de l'eau de 20°C à 30°C. Quelle serait la température (en °C) de l’eau si un autre corps semblable, mais chauffé à 120 °C, y était descendu en même temps que le premier ? (39)

944. Trois liquides antigel, sans interaction chimique, de masses de 1, 10 et 5 kg et de capacités thermiques spécifiques de 2, 4 et 2 kJ/(kg K), sont mélangés respectivement dans le calorimètre. Les températures des premier et deuxième liquides avant mélange étaient de 6°C et 40°C. La température du mélange est devenue 19°C. Trouver la température (en °C) du troisième liquide avant de mélanger. (60)
b) Transformations de phases

945. Dans un récipient contenant 9 kg d'eau à 20°C, on introduit 1 kg de vapeur à 100°C, qui se transforme en eau. Déterminez la température finale (en °C) de l’eau. La capacité thermique du récipient et les pertes de chaleur ne sont pas prises en compte. Capacité thermique spécifique de l'eau 4200 J/(kg K), chaleur spécifique de vaporisation de l'eau 2,1 10 6 J/kg. (78)

946. Une certaine masse d'eau avec une température initiale de 50°C est chauffée jusqu'au point d'ébullition en y faisant passer de la vapeur à une température de 100°C. De quel pourcentage la masse d’eau va-t-elle augmenter ? La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4200 J/(kgK), la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,110 6 J/kg. (dix)

947. Deux récipients contiennent 4,18 kg d'eau aux mêmes températures. 0,42 kg d'eau sont versés dans le premier récipient à une température de 100°C, et la même quantité de vapeur d'eau est introduite dans le second à une température de 100°C. De combien de degrés la température dans un récipient sera-t-elle plus élevée que dans l’autre une fois que l’équilibre thermique sera établi dans chacun d’eux ? La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4 200 J/(kgK), la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,3 MJ/kg. (50)

948. Un morceau d'acier pesant 10 kg, chauffé à 500°C, est déposé dans un récipient contenant 4,6 kg d'eau à 20°C. L'eau chauffe jusqu'à 100°C et une partie se transforme en vapeur. Trouvez la masse (en g) de vapeur produite. La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4200 J/(kgK), la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,310 6 J/kg, la capacité thermique spécifique de l'acier est de 460 J/(kgK). (128)

949. Un morceau de neige pesant 250 g est jeté dans un litre d'eau à une température de 20°C, partiellement déjà fondue, c'est-à-dire contenant un peu d'eau à 0°C. La température de l’eau dans le récipient une fois atteinte l’équilibre thermique s’est avérée être de 5°C. Déterminez la quantité d’eau (en g) dans un coma de neige. La chaleur spécifique de fonte de la glace est de 330 kJ/kg, la chaleur spécifique de l'eau est de 4 200 J/(kgK). (75)

950. Une baignoire d'une capacité de 85 litres doit être remplie d'eau à une température de 30°C, en utilisant de l'eau à 80°C et de la glace à une température de 20°C. Déterminez la masse de glace qui doit être mise dans le bain. La chaleur spécifique de fonte de la glace est de 336 kJ/kg, la capacité thermique spécifique de la glace est de 2 100 J/(kg K), la capacité thermique spécifique de l'eau est de 4 200 J/(kg K). (25)

951. La quantité de chaleur dégagée lorsqu'1 kg de vapeur se condense à une température de 100°C et refroidit l'eau résultante à 0°C est utilisée pour faire fondre une certaine quantité de glace dont la température est de 0°C. Déterminez la masse de glace fondue. La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4 200 J/(kgK), la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,22 MJ/kg, la chaleur spécifique de fonte de la glace est de 330 kJ/kg. (8)

952. Un mélange composé de 2,51 kg de glace et de 7,53 kg d'eau à température générale 0°C doit être chauffé à une température de 50°C, en laissant passer de la vapeur à une température de 100°C. Déterminez la quantité de vapeur nécessaire pour cela (en g). La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4 200 J/(kgK), la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,3 MJ/kg, la chaleur spécifique de fonte de la glace est de 330 kJ/kg. (1170)

953. Un récipient contient une certaine quantité d’eau et la même quantité de glace en état d’équilibre thermique. La vapeur d'eau traverse le récipient à une température de 100°C. Trouvez la température d'équilibre de l'eau dans le récipient si la masse de vapeur qui le traverse est égale à la masse d'eau initiale. La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4 200 J/(kg K), la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,3 MJ/kg, la chaleur spécifique de fonte de la glace est de 330 kJ/kg. (100)

954. D'un navire avec une petite quantité l’eau à 0°C pompe l’air. Dans ce cas, 6,6 g d'eau s'évaporent et le reste gèle. Trouvez la masse (en g) de glace formée. La chaleur spécifique de vaporisation de l'eau à 0°C est de 2,510 6 J/kg, la chaleur spécifique de fonte de la glace est de 3,310 5 J/kg. (50)
Travail aux gaz parfaits

955. À pression constante 3 kPa, le volume de gaz est passé de 7 litres à 12 litres. Quelle quantité de travail le gaz a-t-il effectué ? (15)

956. En expansion dans un cylindre à piston mobile à une pression constante de 100 kPa, le gaz effectue 100 kJ de travail. De quelle quantité le volume de gaz a-t-il changé ? (1)

957. Dans un processus isobare à une pression de 300 kPa, la température absolue d'un gaz parfait a augmenté 3 fois. Déterminez le volume initial (en l) du gaz si, lors de la détente, il a effectué 18 kJ de travail. (trente)

958. Quelle quantité de travail sont effectuées par deux moles d'un certain gaz avec une augmentation de température isobare de 10 K ? La constante universelle des gaz est de 8 300 J/(kmolK). (166)

959. Lors du chauffage isobare de 2 kg d'air, le travail effectué était de 166 kJ. À combien de degrés l’air était-il chauffé ? La masse molaire de l'air est de 29 kg/kmol, la constante universelle des gaz est de 8300 J/(kmolK). (290)

960. Des masses égales d'hydrogène et d'oxygène sont chauffées de manière isobare à même nombre degrés. La masse molaire de l’hydrogène est de 2 kg/kmol, celle de l’oxygène de 32 kg/kmol. Combien de fois plus de travail est effectué par l’hydrogène que par l’oxygène ? (16)

961. Dans le cylindre sous le piston se trouve une certaine masse de gaz à une température de 300 K, occupant un volume de 6 litres à une pression de 0,1 MPa. De combien de degrés faut-il refroidir le gaz à pression constante pour que le travail effectué pour le comprimer soit égal à 50 J ? (25)

962. Dans un cylindre d'une surface de base de 100 cm 2 Le gaz se trouve à une température de 300 K. A une hauteur de 30 cm de la base du cylindre se trouve un piston pesant 60 kg. Quelle quantité de travail le gaz effectuera-t-il lors de sa détente si sa température augmente lentement de 50°C ? Pression atmosphérique 100 kPa, g= 10 m/s 2 . (80)

963. Dans le cylindre sous le piston se trouve un gaz retenu dans un volume de 0,5 m 3 par la gravité du piston et la force de la pression atmosphérique. Quelle quantité de travail (en kJ) un gaz fera-t-il lorsqu'il sera chauffé si son volume double ? La pression atmosphérique est de 100 kPa, la masse du piston est de 10 kg, la surface du piston est de 10 3 m 2. g = 10 m/s 2 . (100)

964. Une mole de gaz a été refroidie de manière isochore de sorte que sa pression diminue d'un facteur 5, puis chauffée de manière isobare jusqu'à une température initiale de 400 K. Quelle quantité de travail le gaz a-t-il effectué ? La constante universelle des gaz est de 8 300 J/(kmolK). (2656)

965. Cinq moles de gaz sont d'abord chauffées à volume constant pour que sa pression augmente 3 fois, puis comprimées à pression constante, ramenant la température à sa valeur précédente de 100 K. Quelle quantité de travail a été effectuée sur le gaz lors de sa compression ? La constante universelle des gaz est de 8 300 J/(kmolK). (8300)

966. Une mole d'un gaz parfait a été refroidie de manière isochore de sorte que sa pression ait diminué de 1,5 fois, puis chauffée de manière isobare à la température précédente. Dans ce cas, le gaz a effectué 8 300 J de travail. Trouvez la température initiale (en Kelvin) du gaz. La constante universelle des gaz est de 8 300 J/(kmolK). (3000)

967. Un gaz parfait de 4 moles est détendu de sorte que sa pression change proportionnellement à son volume. Quel est le travail effectué par un gaz lorsque sa température augmente de 10 K ? La constante universelle des gaz est de 8 300 J/(kmolK). (166)

968. La température d'un gaz parfait pesant 10 kg varie selon la loi T = un V 2 (un= 2K/m6). Déterminez le travail (en mJ) effectué par le gaz lorsque le volume passe de 2 litres à 4 litres. La masse molaire du gaz est de 12 kg/kmol, la constante universelle des gaz est de 8300 J/(kmolK). (83)

969. Un gaz parfait en quantité de 2 moles se trouve à une température de 400 K. Le volume du gaz est doublé de sorte que la pression dépend linéairement du volume. Trouvez le travail effectué par le gaz dans ce processus si la température finale du gaz est égale à la température initiale. La constante universelle des gaz est de 8 300 J/(kmolK). (4980)

970. Un gaz parfait en quantité de 2 moles se trouve à une température de 300 K. Le volume du gaz est augmenté de 1,5 fois de sorte que la pression dépende linéairement du volume et augmente de 40 %. Trouvez le travail effectué par le gaz dans ce processus. La constante universelle des gaz est de 8 300 J/(kmolK). (1743)

971. Un gaz parfait en quantité de 2 moles se trouve à une température de 300 K. Le volume du gaz est doublé de sorte que la pression dépend linéairement du volume, puis le gaz est comprimé de manière isobare jusqu'à son volume précédent. Quelle quantité de travail le gaz a-t-il effectué dans ces deux processus si la pression finale est inférieure de 20 % à la pression initiale ? La constante universelle des gaz est de 8 300 J/(kmolK). (498)

972. Lorsque le gaz était chauffé, son énergie interne augmentait de 300 J à 700 J. Quelle quantité de travail le gaz effectuait-il si 1 000 J de chaleur étaient dépensés pour le chauffer ? (600)

973. Lors du chauffage isochore d'un gaz, son énergie interne augmente de 200 J à 300 J. Quelle quantité de chaleur a été dépensée pour chauffer le gaz ? (100)

974. Lors de l'expansion isobare, le gaz a effectué 100 J de travail et son énergie interne a augmenté de 150 J. Ensuite, le gaz dans le processus isochore a reçu la même quantité de chaleur que dans le premier processus. Dans quelle mesure l’énergie interne du gaz a-t-elle augmenté à la suite de ces deux processus ? (400)

975. DANS processus isotherme le gaz a effectué 1 000 J de travail. De combien l'énergie interne de ce gaz augmentera-t-elle si on lui donne une quantité de chaleur deux fois plus importante que dans le premier processus et que le processus est effectué de manière isochore ? (2000)

976. Dans un processus isotherme, le gaz a reçu 200 J de chaleur. Ensuite, dans le processus adiabatique, le gaz a effectué deux fois plus de travail que dans le premier processus. Dans quelle mesure l’énergie interne du gaz a-t-elle diminué à la suite de ces deux processus ? (400)

977. Lors du chauffage isobare, 16 J de chaleur ont été transmis au gaz, ce qui a entraîné une augmentation de l'énergie interne du gaz de 8 J et son volume de 0,002 m 3. Trouvez la pression (en kPa) du gaz. (4)

978. 700 J de chaleur ont été consommés pour chauffer un gaz parfait à une pression constante de 0,1 MPa. Dans ce cas, le volume du gaz est passé de 0,001 à 0,002 m 3 et l'énergie interne du gaz s'est avérée être égale à 800 J. Quelle était l'énergie interne du gaz avant chauffage ? (200)

979. Déterminez la variation de l'énergie interne de 0,5 mole de gaz pendant un chauffage isobare d'une température de 27 °C à 47 °C, si le gaz recevait une quantité de chaleur de 290 J. La constante universelle des gaz est de 8 300 J/(kmol K). (207)

980. De combien de degrés la température d'une mole d'un gaz parfait a-t-elle augmenté si, à pression constante, son énergie interne augmentait de 747 J et que la capacité thermique d'une mole à pression constante était supérieure à la constante universelle des gaz de 20,75 J/ (molK) ? (36)

981. Une mole de gaz parfait est chauffée à pression constante, puis, à volume constant, elle est transférée à un état avec une température égale à la température initiale de 300 K. Il s'est avéré qu'en conséquence, une quantité de chaleur de 12,45 kJ a été transféré au gaz. Combien de fois le volume occupé par le gaz a-t-il changé ? La constante universelle des gaz est de 8 300 J/(kmolK). (6)

982. Chauffer une certaine quantité de gaz parfait avec masse molaire 28 kg/kmol à 14 K à pression constante nécessitaient 29 J de chaleur. Afin de refroidir ensuite le même gaz à sa température d'origine à volume constant, il faut lui retirer 20,7 J de chaleur. Trouvez la masse (en g) du gaz. La constante universelle des gaz est de 8 300 J/(kmol K). (2)

983. Une certaine masse de gaz parfait est chauffée à pression constante de 15°C à 65°C, absorbant 5 kJ de chaleur. Chauffer ce gaz à volume constant aux mêmes températures initiale et finale nécessite une dépense de 3,5 kJ de chaleur. Trouvez le volume (en l) de cette masse de gaz à une température de 15°C et une pression de 20 kPa. (432)

a) Chauffage et refroidissement

892. Quelle masse de mercure a la même capacité calorifique que 13 kg d'alcool ? La capacité thermique spécifique de l'alcool est de 2440 J/(kg×K), la capacité thermique spécifique du mercure est de 130 J/(kg×K). (244)

893. Lorsque deux corps identiques se frottent l’un contre l’autre, leur température au bout d’une minute augmente de 30°C. Quelle est la puissance moyenne développée dans les deux corps lors du frottement ? La capacité thermique de chaque corps est de 800 J/K. (800)

894. Sur une cuisinière électrique de 600 W, 3 litres d'eau sont portés à ébullition en 40 minutes. La température initiale de l'eau est de 20°C. La capacité thermique spécifique de l’eau est de 4 200 J/(kg×K). Déterminez l’efficacité (en pourcentage) de l’installation. (70)

895. Lors du perçage du métal avec une perceuse à main, une perceuse pesant 0,05 kg chauffe de 20°C en 200 s de fonctionnement continu. La puissance moyenne consommée par une perceuse sur secteur lors du perçage est de 10 W. Quel pourcentage de l'énergie dépensée a été utilisé pour chauffer le foret, si la capacité thermique spécifique du matériau du foret est de 460 J/(kg×K) ? (23)

896. Lors du fonctionnement d'un moteur électrique d'une puissance de 400 W, il chauffe de 10 K en 50 secondes de fonctionnement continu. Quel est le rendement (en pourcentage) du moteur ? La capacité thermique du moteur est de 500 J/K. (75)

897. Un transformateur immergé dans l'huile commence à chauffer en raison d'une surcharge. Quel est son rendement (en pourcentage) si, à pleine puissance de 60 kW, de l'huile pesant 60 kg chauffe de 30°C en 4 minutes de fonctionnement du transformateur ? La capacité thermique spécifique de l'huile est de 2 000 J/(kg×K). (75)

898. Le générateur émet des impulsions ultra-haute fréquence avec une énergie de 6 J dans chaque impulsion. Le taux de répétition des impulsions est de 700 Hz. L'efficacité du générateur est de 60 %. Combien de litres d'eau par heure doivent passer par le système de refroidissement du générateur pour que l'eau ne chauffe pas à plus de 10 K ? La capacité thermique spécifique de l’eau est de 4 200 J/(kg K). (240)

b) Transformations de phases

899. Quelle quantité de glace, prise à une température de 0°C, peut-elle fondre en lui donnant une énergie de 0,66 MJ ? La chaleur spécifique de fonte de la glace est de 330 kJ/kg. (2)

900. Lorsque 100 kg d’acier se solidifient à son point de fusion, 21 MJ de chaleur sont dégagés. Quelle est la chaleur spécifique de fusion (en kJ/kg) de l’acier ? (210)

901. Quelle quantité de chaleur (en kJ) faut-il transmettre à 2 kg de glace prélevés à une température de -10°C pour les faire fondre complètement ? La capacité thermique spécifique de la glace est de 2 100 J/(kg×K), la chaleur spécifique de fonte de la glace est de 330 kJ/kg. (702)

902. Pour transformer une certaine quantité de glace prélevée à une température de -50°C en eau à une température de 50°C, il faut 645 kJ d’énergie. Quelle est la masse de glace ? La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4 200 J/(kg × K), la capacité thermique spécifique de la glace est de 2 100 J/(kg × K), la chaleur spécifique de fonte de la glace est de 3,3 × 105 J/kg. (1)

903. Quelle quantité de chaleur (en kJ) est nécessaire pour convertir 0,1 kg d’eau bouillante en vapeur ? La chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,26 MJ/kg. (226)

904. Quelle quantité de chaleur (en kJ) sera libérée lorsque 0,2 kg de vapeur d'eau se condensera à une température de 100°C ? La chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,3×106 J/kg. (460)

905. Quelle quantité de chaleur (en kJ) faut-il ajouter à 1 kg d'eau prélevé à 0°C pour le chauffer à 100°C et l'évaporer complètement ? La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4 200 J/(kg×K), la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,3×106 J/kg. (2720)

906. Pour chauffer de l'eau prélevée à une température de 20°C et la transformer en vapeur, 2 596 kJ d'énergie ont été consommés. Déterminez la masse d’eau. La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4 200 J/(kg×K), la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,26 MJ/kg. (1)

907. Un four électrique d'une puissance de 100 kW est utilisé pour fondre une tonne d'acier. Combien de minutes dure la fusion si le lingot doit être chauffé à 1500 K avant de commencer la fusion ? La capacité thermique spécifique de l'acier est de 460 J/(kg×K), la chaleur spécifique de fusion de l'acier est de 210 kJ/kg. (150)

908. Pour chauffer une certaine masse d’eau de 0°C à 100°C, il faut 8400 J de chaleur. Quelle quantité de chaleur supplémentaire (en kJ) est nécessaire pour évaporer complètement cette eau ? La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4 200 J/(kg K), la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2 300 kJ/kg. (46)

909. Il a fallu 21 minutes pour refroidir l'eau du réfrigérateur de 33°C à 0°C. Combien de temps faudra-t-il pour transformer ensuite cette eau en glace ? Capacité thermique spécifique de l'eau 4200 J/(kg K), chaleur spécifique de fonte de la glace 3,3 10 5 J/kg. Donnez la réponse en quelques minutes. (50)

910. Un récipient contenant de l'eau est chauffé sur une cuisinière électrique de 20°C jusqu'à ébullition en 20 minutes. Combien de temps supplémentaire (en minutes) faut-il pour transformer 42 % de l’eau en vapeur ? La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4 200 J/(kg×K), la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,2×106 J/kg. (55)

911. Calculer le rendement (en pourcentage) d'un brûleur à gaz s'il utilise du gaz avec un pouvoir calorifique spécifique de 36 MJ/m 3 , et chauffer une bouilloire avec 3 litres d'eau de 10°C jusqu'à ébullition nécessitait 60 litres de gaz. La capacité thermique de la bouilloire est de 600 J/K. La capacité thermique spécifique de l’eau est de 4 200 J/(kg K). (55)

912. Pour faire fonctionner une machine à vapeur, 210 kg de charbon sont consommés en 1 heure. La machine est refroidie par de l'eau, qui a une température d'entrée de 17°C et une température de sortie de 27°C. Déterminez la consommation d'eau (en kg) en 1 s si 24 % de la quantité totale de chaleur est utilisée pour la chauffer. La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4 200 J/(kg×K), la chaleur spécifique de combustion du charbon est de 30 MJ/kg. (dix)

913. Combien de kilomètres parcourront 10 kg d'essence pour un moteur de voiture qui développe une puissance de 69 kW à une vitesse de 54 km/h et a un rendement de 40 % ? La chaleur spécifique de combustion de l’essence est de 4,6 × 107 J/kg. (40)

Jusqu’à présent, nous avons considéré la première loi de la thermodynamique appliquée aux gaz. Particularité le gaz est que son volume peut varier considérablement. Par conséquent, selon la première loi de la thermodynamique, la quantité de chaleur Q transférée au gaz est égale à la somme du travail effectué par le gaz et de la variation de son énergie interne :

Q = ∆U + A g.

Dans cette section, nous considérerons les cas où une certaine quantité de chaleur est transférée à un liquide ou un solide. Lorsqu'ils sont chauffés ou refroidis, leur volume change légèrement, de sorte que le travail qu'ils effectuent lors de l'expansion est généralement négligé. Par conséquent, pour les liquides et les solides, la première loi de la thermodynamique peut s’écrire sous la forme

La simplicité de cette équation est cependant trompeuse.

Le fait est que l'énergie interne d'un corps ne représente que l'énergie cinétique totale du mouvement chaotique de ses particules constitutives uniquement lorsque ce corps est gaz parfait. Dans ce cas, comme nous le savons déjà, l'énergie interne est directement proportionnelle température absolue(§42). Dans les liquides et les solides, l’énergie potentielle d’interaction des particules joue un rôle important. Et, comme le montre l'expérience, cela peut changer même avec Température constante!

Par exemple, si vous transférez une certaine quantité de chaleur à un mélange d’eau et de glace, sa température restera constante (égale à 0 ºC) jusqu’à ce que toute la glace fonde. (C'est pour cette raison que la température de fonte de la glace était autrefois prise comme point de référence pour déterminer l'échelle Celsius.) Dans ce cas, la chaleur fournie est dépensée pour augmenter l'énergie potentielle d'interaction des molécules : afin de faire tourner un cristal en liquide, il est nécessaire de dépenser de l'énergie pour détruire le réseau cristallin.

Un phénomène similaire se produit lors de l'ébullition : si vous transférez une certaine quantité de chaleur à l'eau au point d'ébullition, sa température restera constante (égale à 100 ºС à température normale). pression atmosphérique), jusqu'à ce que toute l'eau ait bouilli. (C’est pourquoi il a été choisi comme deuxième point de référence pour l’échelle Celsius.) Dans ce cas, la chaleur fournie est également dépensée pour augmenter l’énergie potentielle d’interaction entre les molécules.

Il peut sembler étrange que l’énergie potentielle d’interaction des molécules dans la vapeur soit plus grande que dans l’eau. Après tout, les molécules de gaz interagissent à peine les unes avec les autres. énergie potentielle leurs interactions sont naturellement considérées comme niveau zéro. C'est ce qu'ils font. Mais alors l’énergie potentielle d’interaction entre les molécules dans un liquide doit être considérée comme négative.

Ce signe d’énergie d’interaction potentielle est caractéristique de l’attraction des corps. Dans ce cas, pour augmenter la distance entre les corps, il faut effectuer un travail, c'est-à-dire augmenter l'énergie potentielle de leur interaction. Et si après cela elle devient égal à zéro, ce qui veut dire qu’avant c’était négatif.

Ainsi, un changement d'état des liquides et des solides lorsqu'une certaine quantité de chaleur leur est transmise doit être envisagé en tenant compte de la possibilité d'un changement de leur état d'agrégation. Les changements dans l'état d'agrégation sont appelés transitions de phase. C'est la transformation d'un solide en liquide (fusion), d'un liquide en solide(solidification ou cristallisation), liquide en vapeur (évaporation) et vapeur en liquide (condensation).

La loi de conservation de l'énergie dans les phénomènes thermiques se produisant avec les liquides et les solides est appelée équation du bilan thermique.
Considérons d'abord l'équation du bilan thermique pour le cas où un échange de chaleur se produit entre deux corps et que leur échange de chaleur avec d'autres corps peut être négligé (dans l'expérience, des calorimètres sont utilisés pour créer de telles conditions - des récipients qui assurent l'isolation thermique de leur contenu) .

Nous considérerons (comme nous l'avons considéré précédemment pour les gaz) la quantité de chaleur transférée au corps comme positive si, de ce fait, l'énergie interne du corps augmente, et négative si l'énergie interne diminue. Dans ce cas, l’équation du bilan thermique a la forme

Q1 + Q2 = 0, (1)

où Q 1 est la quantité de chaleur transférée au premier corps depuis le second, et Q 2 est la quantité de chaleur transférée au deuxième corps depuis le premier.

D’après l’équation (1), il ressort clairement que si un corps reçoit de la chaleur, alors l’autre corps la restitue. Disons que si Q 1 > 0, alors Q 2< 0.

Si un échange thermique se produit entre n corps, l’équation du bilan thermique a la forme

Q 1 + Q 2 + … + Q n = 0.

2. Équation du bilan thermique sans transitions de phase

Nous considérerons le corps comme homogène, c'est-à-dire constitué entièrement d'une seule substance (par exemple, une certaine masse d'eau, une barre d'acier ou de cuivre, etc.). Considérons d'abord le cas où l'état d'agrégation du corps ne change pas, c'est-à-dire qu'une transition de phase ne se produit pas.

Dès le cours de physique de base à l'école, vous savez que dans ce cas la quantité de chaleur Q transférée au corps est directement proportionnelle à la masse du corps m et à l'évolution de sa température ∆t :

Dans cette formule, Q et ∆t peuvent être des quantités positives ou négatives.

La quantité c incluse dans cette formule est appelée capacité thermique spécifique de la substance qui constitue le corps. Généralement, dans les problèmes liés à l’équation du bilan thermique, la température est utilisée sur l’échelle Celsius. Nous ferons de même.

1. La figure 48.1 montre des graphiques de la température de deux corps en fonction de la quantité de chaleur qui leur est transférée Q. La masse de chaque corps est de 100 g.

A) Quel corps a une chaleur spécifique plus élevée et de combien de fois ?
b) Quelle est la capacité thermique spécifique de chaque corps ?

2. Un cylindre métallique retiré de l'eau bouillante est immergé dans un calorimètre contenant 150 g d'eau à une température de 20 ºС. La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4,2 kJ/(kg * K). Supposons que les pertes de chaleur puissent être négligées.
a) Explique pourquoi l'équation est vraie

c m m m (t à – 100º) + c à m à (t à – 20º) = 0,

où c m et c in sont les valeurs de la capacité thermique d'un métal et de l'eau donnés, respectivement, m m et m in sont les valeurs de la masse du cylindre et de l'eau, respectivement, t k est la valeur de la finale température du contenu du calorimètre lorsque l'équilibre thermique y est établi.

b) Lequel des deux termes de la formule ci-dessus est positif et lequel est négatif ? Expliquez votre réponse.
c) Quelle est la capacité thermique spécifique de ce métal si la masse du cylindre est de 100 g et la température finale est de 25 ºС ?
d) Quelle est la température finale si le cylindre est en aluminium et que sa masse est de 100 g ? La capacité thermique spécifique de l'aluminium est de 0,92 kJ/(kg * K).
e) Quelle est la masse du cylindre s'il est en cuivre et que sa température finale est de 27 ºC ? La capacité thermique spécifique du cuivre est de 0,4 kJ/(kg * K).

Considérons le cas où l'énergie mécanique se transforme en énergie interne. Le physicien anglais J. Joule a tenté de mesurer la température de l'eau d'une cascade lorsqu'elle touchait le sol.

3. De quelle hauteur l'eau doit-elle tomber pour que lorsqu'elle touche le sol, sa température augmente de 1 ºС ? Acceptez cela dans énergie interne la moitié de son énergie potentielle est transférée à l’eau.

La réponse que vous recevrez expliquera pourquoi le scientifique a échoué. Veuillez noter que le scientifique a mené ses expériences dans son pays natal, où la hauteur de la plus haute cascade est d'environ 100 m.

Si le corps est chauffé à l'aide d'un radiateur électrique ou en brûlant du combustible, l'efficacité du radiateur doit être prise en compte. Par exemple, si le rendement du radiateur est de 60 %, cela signifie que l'augmentation de l'énergie interne du corps chauffé est de 60 % de la chaleur dégagée lors de la combustion du carburant ou lors du fonctionnement du radiateur électrique.

Rappelons également que lors de la combustion d'un carburant de masse m, une quantité de chaleur Q est dégagée, qui s'exprime par la formule

où q est la chaleur spécifique de combustion.

4. Pour porter à ébullition 3 litres d'eau dans une casserole d'une température de 20 ºC, les touristes devaient brûler 3 kg de broussailles sèches dans un feu. Quelle est l’efficacité d’un feu comme appareil de chauffage ? Prenons la chaleur spécifique de combustion des broussailles comme étant de 107 J/kg.

5. À l'aide d'un radiateur électrique, ils essaient de porter à ébullition 10 litres d'eau, mais l'eau ne bout pas : lorsque le radiateur est allumé, sa température reste constante, inférieure à 100 ºС. Puissance de chauffage 500 W, efficacité 90%.
a) Quelle quantité de chaleur est transférée du chauffe-eau à l’eau en 1 s ?
b) Quelle quantité de chaleur est transférée de l'eau à l'air ambiant en 1 s lorsque le radiateur est allumé, lorsque la température de l'eau reste constante ?
c) Quelle quantité de chaleur l'eau sera-t-elle transférée à l'air ambiant en 1 minute immédiatement après l'arrêt du radiateur ? Supposons que pendant cette période, la température de l’eau ne changera pas de manière significative.
d) De combien la température de l'eau baissera-t-elle en 1 minute immédiatement après avoir éteint le chauffage ?

3. Équation du bilan thermique en présence de transitions de phase

Rappelons quelques faits que vous connaissez grâce au cours de physique de base à l'école.

Afin de faire fondre complètement un solide cristallin à son point de fusion, il est nécessaire de lui communiquer une quantité de chaleur Q, proportionnelle à la masse m du corps :

Le coefficient de proportionnalité λ est appelé chaleur spécifique de fusion. Elle est numériquement égale à la quantité de chaleur qui doit être fournie corps cristallin pesant 1 kg au point de fusion pour le transformer complètement en liquide. L'unité de chaleur spécifique de fusion est de 1 J/kg (joule par kilogramme).

Par exemple, la chaleur spécifique de fusion de la glace est de 330 kJ/kg.

6. À quelle hauteur une personne pesant 60 kg pourrait-elle être élevée si son énergie potentielle était augmentée d'une quantité numériquement égale à la quantité de chaleur nécessaire pour faire fondre 1 kg de glace à une température de 0 ºC ?

Lors de la résolution de problèmes, il est important de prendre en compte le fait qu'un solide ne commencera à fondre qu'après avoir été entièrement chauffé à la température de fusion. Sur un graphique de la dépendance de la température corporelle à la quantité de chaleur qui lui est transférée, le processus de fusion est représenté par un segment horizontal.

7. La figure 48.2 montre un graphique de la température d'un corps pesant 1 kg en fonction de la quantité de chaleur qui lui est transférée.


a) Quelle est la chaleur spécifique du corps à l’état solide ?
b) Quel est le point de fusion ?
c) Quelle est la chaleur spécifique de fusion ?
d) Quelle est la capacité thermique spécifique du corps à l’état liquide ?
e) De quelle substance ce corps peut-il être constitué ?

8. Vole dans l'atmosphère terrestre météorite de fer. La capacité thermique spécifique du fer est de 460 J/(kg * K), le point de fusion est de 1540 ºС, la chaleur spécifique de fusion est de 270 kJ/kg. La température initiale de la météorite avant d'entrer dans l'atmosphère est de -260 ºС. Acceptez que 80% énergie cinétique Lorsqu’une météorite se déplace dans l’atmosphère, elle se transforme en énergie interne.
a) Quel devrait être le minimum vitesse de démarrage météorite pour qu'elle se réchauffe jusqu'à son point de fusion ?
b) Quelle partie de la météorite fondra si sa vitesse initiale est de 1,6 km/s ?

Si disponible transitions de phases Si vous souhaitez connaître la température du lit des corps, vous devez tout d'abord savoir quel sera l'état final. Par exemple, si dans l’état initial les masses de glace et d’eau et leurs températures sont données, alors il y a trois possibilités.

L'état final n'est que de la glace (cela peut se produire si la température initiale de la glace était suffisamment basse ou si la masse de glace était suffisamment grande). Dans ce cas, la quantité inconnue est la température finale de la glace. Si le problème est résolu correctement, la valeur résultante ne dépasse pas 0 ºС. Lorsque l'équilibre thermique est établi, la glace est chauffée jusqu'à cette température finale, et toute l'eau est refroidie jusqu'à 0 ºC, puis gèle, et la glace formée à partir de celle-ci est refroidie jusqu'à la température finale (si elle est inférieure à 0 ºC).

A l’état final, la glace et l’eau sont en équilibre thermique. Ceci n'est possible qu'à une température de 0 ºС. L'inconnue dans ce cas sera la masse finale de glace (ou la masse finale d'eau : la somme des masses d'eau et de glace est donnée). Si le problème est résolu correctement, alors les masses finales de glace et d’eau sont positives. Dans ce cas, lorsque l'équilibre thermique est établi, la glace est d'abord chauffée à 0 ºС et l'eau est refroidie à 0 ºС. Ensuite, soit une partie de la glace fond, soit une partie de l'eau gèle.

L'état final n'est que de l'eau. Ensuite, la quantité inconnue est sa température (elle doit être d'au moins 0 ºС. Dans ce cas, l'eau est refroidie jusqu'à la température finale et la glace doit suivre un chemin plus complexe : d'abord, elle est entièrement chauffée à 0 ºС). , puis tout fond, puis la glace qui en est formée, l'eau est chauffée à sa température finale.

Pour déterminer laquelle de ces capacités est mise en œuvre dans une tâche particulière, vous devez effectuer quelques recherches.

9. Un morceau de glace à une température de –10 ºC est placé dans un calorimètre contenant 1,5 litre d'eau à une température de 20 ºC. Supposons que les pertes de chaleur puissent être négligées. La capacité thermique spécifique de la glace est de 2,1 kJ/(kg * K).
a) Quelle pourrait être la masse de glace si à l’état final il n’y avait que de la glace dans le calorimètre ? seulement de l'eau? la glace et l'eau en équilibre thermique ?
b) Quelle est la température finale si la masse initiale de glace est de 40 kg ?
c) Quelle est la température finale si la masse initiale de glace est de 200 g ?
d) Quelle est la masse finale d'eau si la masse initiale de glace est de 1 kg ?

Il semble naturel que pour fondre, un corps doive recevoir une certaine quantité de chaleur. Ce phénomène nous sert bien : il ralentit la fonte des neiges, réduisant ainsi les inondations au printemps.

Mais le fait que lors de la cristallisation le corps cède une certaine quantité de chaleur peut vous surprendre : l'eau cède-t-elle vraiment une certaine quantité de chaleur lorsqu'elle gèle ? Et pourtant, il en est ainsi : en gelant et en se transformant en glace, l'eau cède une assez grande quantité de chaleur à l'air froid ou à la glace dont la température est inférieure à 0 ºС. Ce phénomène nous sert aussi bien, adoucissant les premières gelées et l’arrivée de l’hiver.
Prenons maintenant en compte la possibilité de transformer un liquide en vapeur ou de la vapeur en liquide.

Comme vous le savez grâce au cours de base de physique à l'école, la quantité de chaleur Q nécessaire pour transformer un liquide en vapeur à température constante est proportionnelle à la masse m du liquide :

Le coefficient de proportionnalité L est appelé chaleur spécifique de vaporisation. Elle est numériquement égale à la quantité de chaleur qu'il faut communiquer à 1 kg de liquide pour le transformer complètement en vapeur. L'unité de chaleur spécifique de vaporisation est de 1 J/kg.

Par exemple, la chaleur spécifique de vaporisation de l’eau au point d’ébullition et à la pression atmosphérique normale est d’environ 2 300 kJ/kg.

10. 100 g de vapeur d'eau à une température de 100 ºC sont introduits dans un calorimètre contenant 1 litre d'eau à une température de 20 ºC. Quelle sera la température dans le calorimètre une fois l’équilibre thermique établi ? Les pertes de chaleur peuvent être négligées.

Questions et tâches supplémentaires

11. Il a fallu 6 minutes pour chauffer une certaine masse d'eau sur la cuisinière de 20 ºC jusqu'à la température d'ébullition. Combien de temps faudra-t-il pour que toute cette eau bout ? Supposons que les pertes de chaleur puissent être négligées.

12. De la vapeur est introduite dans un calorimètre contenant de la glace pesant 100 g à une température de 0 ºC à une température de 100 ºC. Quelle sera la masse d’eau dans le calorimètre lorsque toute la glace aura fondu et que la température de l’eau sera de 0 ºC ?

13. Un cube d'aluminium chauffé a été placé sur une banquise plate dont la température était de 0 ºС. A quelle température le cube était-il chauffé s'il était complètement immergé dans la glace ? Supposons que les pertes de chaleur puissent être négligées. La capacité thermique spécifique de l'aluminium est de 0,92 kJ/(kg * K).

14. Une balle de plomb heurte une plaque d'acier et rebondit dessus. La température de la balle avant l'impact est de 50 ºC, la vitesse est de 400 m/s. La vitesse de la balle après impact est de 100 m/s. Quelle partie de la balle fondait si 60 % de l'énergie cinétique perdue était convertie en énergie interne de la balle ? La chaleur spécifique du plomb est de 0,13 kJ/(kg * K), le point de fusion 327 ºС, la chaleur spécifique de fusion 25 kJ/kg.

15. Dans un calorimètre contenant 1 litre d'eau à une température de 20 ºC, déposer 100 g de neige mouillée dont la teneur en eau (en masse) est de 60 %. Quelle température s’établira dans le calorimètre une fois l’équilibre thermique établi ? Les pertes de chaleur peuvent être négligées.
Indice. Par neige mouillée, on entend un mélange d'eau et de glace à une température de 0 ºC.