Ta pati medžiaga realus pasaulis priklausomai nuo aplinkos sąlygų gali būti įvairios valstybės. Pavyzdžiui, vanduo gali būti skysčio pavidalu, kieto pavidalo – ledo, dujų – vandens garų pavidalu.
- Šios būsenos vadinamos agreguotomis materijos būsenomis.
Skirtingose agregacijos būsenose esančios medžiagos molekulės nesiskiria viena nuo kitos. Specifinis fizinė būsena lemia molekulių vieta, taip pat jų judėjimo ir sąveikos pobūdis.
Dujos – atstumas tarp molekulių yra reikšmingas daugiau dydžių pačios molekulės. Skysčio ir kietosios medžiagos molekulės yra gana arti viena kitos. Kietose medžiagose jis yra dar arčiau.
Norėdami pakeisti agregatą kūno būklė, jam reikia suteikti šiek tiek energijos. Pavyzdžiui, norint paversti vandenį garais, jis turi būti šildomas, kad garas vėl taptų vandeniu, jis turi atsisakyti energijos.
Perėjimas iš kieto į skystą
Medžiagos perėjimas iš kietos į skystą vadinamas lydymu. Kad kūnas pradėtų tirpti, jis turi būti pašildytas iki tam tikros temperatūros. Temperatūra, kurioje medžiaga lydosi, yra vadinama medžiagos lydymosi temperatūra.
Kiekviena medžiaga turi savo lydymosi temperatūrą. Kai kuriems kūnams jis yra labai žemas, pavyzdžiui, ledui. Ir kai kurie kūnai turi labai aukštą lydymosi temperatūrą, pavyzdžiui, geležies. Apskritai kristalinio kūno lydymas yra sudėtingas procesas.
Ledo tirpimo grafikas
Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytas kristalinio kūno lydymosi grafikas, in šiuo atveju ledas.
- Grafike parodyta ledo temperatūros priklausomybė nuo jo įkaitinimo laiko. Temperatūra rodoma vertikalioje ašyje, o laikas rodomas horizontalioje ašyje.
Iš grafiko, kad iš pradžių ledo temperatūra buvo -20 laipsnių. Tada jie pradėjo šildyti. Temperatūra pradėjo kilti. AB sekcija – tai atkarpa, kurioje šildomas ledas. Laikui bėgant temperatūra pakilo iki 0 laipsnių. Ši temperatūra laikoma ledo lydymosi temperatūra. Esant tokiai temperatūrai, ledas pradėjo tirpti, tačiau jo temperatūra nustojo kilti, nors ledas ir toliau kaitinamas. Lydymosi sritis atitinka BC sritį diagramoje.
Tada, kai visas ledas ištirpo ir pavirto į skystį, vandens temperatūra vėl pradėjo kilti. Grafike tai parodo spindulys C. Tai yra, darome išvadą, kad lydymosi metu kūno temperatūra nekinta, visi gaunami energija eina lydymui.
Virimo ir kondensacijos problemų sprendimas daugeliu atžvilgių panašus į lydymosi ir kietėjimo problemų sprendimą. Tai padeda mokiniams tobulėti atitinkamas sąvokas Ir praktinių įgūdžių. Tuo pačiu metu, jei medžiagos įsisavinimas yra nepakankamai stiprus ir gilus, kai neakcentuojami kiekvieno iš įvardintų procesų būdingi ir specifiniai bruožai, pavyzdžiui, garavimas ir virimas, pastebimas nepageidaujamas panašių įgūdžių „trukdymas“. , panašių sąvokų mokinių maišymas arba klaidingas identifikavimas.
Mokytojas turėtų į tai atkreipti rimtą dėmesį. Viena iš priemonių šiam trūkumui pašalinti – kartojant spręsti kombinuotus uždavinius, kuriuose nagrinėjami visi tirti agregatiniai materijos virsmai (Nr. 222, 223).
Dauguma problemų yra kokybiniai arba paprasto skaičiavimo uždaviniai, kuriuose būtina nustatyti, pvz.
šilumos kiekis, reikalingas tam tikrai skysčio masei verdant paversti garais.
Sunkiausia užduotis yra apskaičiuoti savitąją garavimo šilumą. Ši problema turėtų būti išspręsta klasėje, padedant mokytojui. Kad būtų lengviau atlikti skaičiavimus, sąlygoje galite praleisti kalorimetro duomenis.
217. Pateikti vandens, alkoholio ir eterio šildymo ir virimo grafikai (32 pav.). Nustatykite, kuris grafikas sudarytas kiekvienam iš šių skysčių.
218. Kuris turi daugiau vidinės energijos: vanduo ar garai, paimti vienodais kiekiais prie Patikrinkite savo išvadas eksperimentiškai.
Sprendimas. Kad vanduo virstų garais, jis turi perduoti tam tikrą šilumos kiekį. Todėl garo vidinė energija yra didesnė. Norėdami patikrinti, į stiklinę vandens iš katilo įleiskite tam tikrą kiekį garų, atkreipkite dėmesį naujas lygis vandens ir jo temperatūros pokyčių. Į kitą stiklinę su tuo pačiu pradinis kiekis Supilkite tiek verdančio vandens, kiek susikondensavo nuo garų. Vandens temperatūra antruoju atveju keisis daug mažiau nei pirmuoju.
219. Kiek energijos reikia, kad virimo temperatūroje ir esant normaliam vandens slėgiui virstų garais? alkoholis? eteris? Kiek energijos reikės šiems skysčiams paversti garais, jei jie pirmiausia pakaitinami iki virimo
Sprendimas. Naudodamiesi savitosios garavimo šilumos lentele, mokiniai pirmiausia turi žodžiu išspręsti pirmąją uždavinio dalį, samprotaudami taip. Kad virstų garais
virimo taške reikalingas vanduo Todėl, norint paversti vandenį garais, reikia išeikvoti 10 kartų daugiau energijos alkoholiui ir eteriui. Tada turėtumėte naudoti formulę
Antroji problemos dalis išspręsta taip. Bendras sunaudotos energijos kiekis
Panašiai suraskite bendrą šilumos kiekį, reikalingą alkoholiui ir eteriui paversti garais.
Sprendžiant problemą, reikia atkreipti dėmesį ypatingas dėmesys apie mokinių gebėjimą naudoti ir suprasti lenteles fizinę reikšmę juose nurodytus kiekius.
220. Į mėgintuvėlį supilkite vandenį ir išmatuokite jo temperatūrą. Kaitinkite mėgintuvėlį, pažymėdami laiką, iš pradžių, kol jis užvirs, o tada, kol visas vanduo virs garais. Naudodami eksperimentinius duomenis, apytiksliai nustatykite savitąją garavimo šilumą, palyginkite ją su lentele ir nurodykite priežastis, dėl kurių sumažėjo rezultato tikslumas.
Sprendimas. Vieno iš eksperimentų metu buvo gauti šie duomenys. Pradinė temperatūra Kaitinimo laikas iki virimo - 2,5 minutės, virimo laikas - 20 minučių.
Šiluma, naudojama vandens šildymui, reikalinga garų susidarymui
Atsižvelgiant į tai, kad šildytuvo išskiriamas šilumos kiekis yra proporcingas šildymo trukmei, gauname:
Rezultato tikslumą sumažino keletas veiksnių: karštas vanduo išskiria daugiau šilumos aplinką, nei šalta, todėl vandens gaunamas šilumos kiekis nėra griežtai proporcingas laikui. Kai mėgintuvėlyje liko mažai vandens, didelis skaičiusŠiluma naudojama orui ir pačiam mėgintuvėliui šildyti.
221. Vykdymas laboratoriniai darbai, studentas įleido garą į kalorimetrą, kuriame yra 100 °C vandens. Dėl to vandens temperatūra pakilo iki Kokia savitosios garavimo šilumos vertė bus gauta pagal šio eksperimento duomenis, jei vandens masė padidėtų
Uždavinys turi būti išspręstas lentoje su klausimais, užrašant formules:
Jei mokiniai gerai įsisavino šias formules, nereikia jų perrašyti kiekvienu konkrečiu atveju: jie gali iš karto pakeisti jas į formules. skaitines reikšmes kiekiai Ši pastaba tinka ir vyresniems, nes sprendžiant kalorimetrines lygtis bendras vaizdas dažnai pasirodo pernelyg sudėtinga.
1. Kiek šilumos garai atidavė kondensuojantis?
2. Kiek šilumos iš garų susidaręs vanduo atidavė vėsdamas?
3. Kiek šilumos gavo vanduo?
Kadangi kondensacijos metu garų ir susidarančio vandens išskiriamos šilumos kiekis yra lygus šilumos kiekiui, kurį kalorimetre gauna vanduo, galime rašyti:
222. Kokio šilumos kiekio reikia ledui paversti garais. Sudarykite apytikslį proceso grafiką?
223. Koks šilumos kiekis išsiskirs kondensuojantis 200 g garų, paimtų vėliau vandenį paverčiant ledu? Sudarykite apytikslį proceso tvarkaraštį.
8. Termodinamika
Šilumos kiekio apskaičiavimas. Šildytuvo efektyvumas
892. Kokios masės gyvsidabrio šiluminė talpa yra tokia pati kaip 13 kg alkoholio? Savitoji alkoholio šiluminė talpa 2440 J/(kgK), gyvsidabrio savitoji šiluminė talpa 130 J/(kgK). (244)
893. Kai du identiški kūnai trinasi vienas į kitą, jų temperatūra po vienos minutės pakyla 30°C. Kokia vidutinė abiejų kūnų galia susidaro trinties metu? Kiekvieno kūno šiluminė galia yra 800 J/K. (800)
894. Ant 600 W elektrinės viryklės per 40 minučių užvirinama 3 litrai vandens. Pradinė vandens temperatūra yra 20°C. Savitoji vandens šiluminė galia yra 4200 J/(kgK). Nustatykite įrenginio efektyvumą (procentais). (70)
895. Gręžiant metalą rankiniu grąžtu, 0,05 kg sveriantis grąžtas per 200 s įkaista 20°C nuolatinis veikimas. Vidutinė galia, kurią gręžtuvas sunaudoja iš tinklo gręžiant, yra 10 W. Kiek procentų sunaudotos energijos buvo sunaudota grąžtui pašildyti, jei gręžimo medžiagos savitoji šiluminė galia yra 460 J/(kgK)? (23)
896. Kai veikia 400 W galios elektros variklis, per 50 sekundžių nuolatinio veikimo jis įkaista 10 K. Koks yra variklio naudingumo koeficientas (procentais)? Variklio šiluminė galia 500 J/K. (75)
897. Į alyvą panardintas transformatorius dėl perkrovos pradeda kaisti. Koks jo efektyvumas (procentais), jei at visa galia Ar per 4 transformatoriaus veikimo minutes 60 kW alyva, sverianti 60 kg, įkaista 30°C? Alyvos savitoji šiluminė talpa 2000 J/(kgK). (75)
898. Generatorius skleidžia impulsus itin aukšto dažnio su energija kiekviename impulse 6 J. Impulsų pasikartojimo dažnis 700 Hz. Generatoriaus efektyvumas yra 60%. Kiek litrų vandens per valandą reikia praleisti per generatoriaus aušinimo sistemą, kad vanduo įkaistų ne aukščiau kaip 10 K? Savitoji vandens šiluminė galia yra 4200 J/(kg K). (240)
b) Fazinės transformacijos
899. Kiek ledo, paimto 0°C temperatūroje, galima ištirpdyti, suteikiant jam 0,66 MJ energiją? Ledo lydymosi savitoji šiluma yra 330 kJ/kg. (2)
900. Kai 100 kg plieno sustingo jo lydymosi temperatūroje, išsiskyrė 21 MJ šilumos. Kas yra specifinė šiluma lydantis (kJ/kg) plieno? (210)
901. Kokį šilumos kiekį (kJ) reikia perduoti 2 kg 10°C temperatūros ledo, kad jis visiškai ištirptų? Ledo savitoji šiluminė talpa 2100 J/(kgK), ledo lydymosi savitoji šiluma 330 kJ/kg. (702)
902. Tam, kad tam tikras kiekis ledo, paimto 50°C temperatūroje, virstų 50°C temperatūros vandeniu, reikia 645 kJ energijos. Kokia ledo masė? Vandens savitoji šiluminė galia 4200 J/(kgK), ledo savitoji šiluminė talpa 2100 J/(kgK), ledo lydymosi savitoji šiluma 3,310 5 J/kg. (1)
903. Koks šilumos kiekis (kJ) reikalingas 0,1 kg verdančio vandens paversti garais? Savitoji vandens garavimo šiluma yra 2,26 MJ/kg. (226)
904. Kiek šilumos (kJ) išsiskirs, kai 100°C temperatūroje kondensuojasi 0,2 kg vandens garų? Savitoji vandens garavimo šiluma yra 2,310 6 J/kg. (460)
905. Kokį šilumos kiekį (kJ) reikia įpilti į 1 kg 0°C vandens, kad jis įkaistų iki 100°C ir visiškai išgaruotų? Vandens savitoji šiluminė talpa 4200 J/(kgK), savitoji vandens garavimo šiluma 2,310 6 J/kg. (2720)
906. 20°C temperatūros vandeniui pašildyti ir paversti garais sunaudota 2596 kJ energijos. Nustatykite vandens masę. Vandens savitoji šiluminė galia 4200 J/(kgK), savitoji vandens garavimo šiluma 2,26 MJ/kg. (1)
907. Vienai tonai plieno išlydyti naudojama 100 kW galios elektrinė krosnis. Kiek minučių trunka lydymasis, jei luitas turi būti įkaitintas iki 1500 K prieš lydymosi pradžią? Plieno savitoji šiluminė talpa 460 J/(kgK), plieno savitoji lydymosi šiluma 210 kJ/kg. (150)
908. Norint pašildyti tam tikrą vandens masę nuo 0°C iki 100°C, reikia 8400 J šilumos. Kiek daugiau šilumos (kJ) reikia šiam vandeniui visiškai išgaruoti? Savitoji vandens šiluminė galia 4200 J/(kg K), savitoji vandens garavimo šiluma 2300 kJ/kg. (46)
909. Vandenį šaldytuve atvėsinti nuo 33°C iki 0°C užtruko 21 minutę. Kiek laiko užtruks, kol šis vanduo virs ledu? Savitoji vandens šiluminė talpa 4200 J/(kg K), savitoji ledo lydymosi šiluma 3,3 10 5 J/kg. Pateikite atsakymą per kelias minutes. (50)
910. Indas su vandeniu ant elektrinės viryklės įkaitinamas nuo 20°C iki užvirimo per 20 minučių. Kiek daugiau laiko (minutėmis) reikia, kad 42% vandens pavirstų garais? Vandens savitoji šiluminė talpa 4200 J/(kgK), savitoji vandens garavimo šiluma 2,210 6 J/kg. (55)
911. Apskaičiuokite dujų degiklio naudingumo koeficientą (procentais), jei jis naudoja dujas, kurių savitasis šilumingumas yra 36 MJ/m 3 , o virduliui su 3 litrais vandens pakaitinti nuo 10°C iki virimo prireikė 60 litrų dujų. Virdulio šiluminė galia 600 J/K. Savitoji vandens šiluminė galia yra 4200 J/(kg K). (55)
912. Norint valdyti garo mašiną, per 1 valandą sunaudojama 210 kg anglies. Mašina aušinama vandeniu, kurio temperatūra yra 17°C prie įėjimo ir 27°C prie išleidimo angos. Nustatykite vandens suvartojimą (kg) per 1 s, jei jo šildymui sunaudojama 24 proc bendras skaičiusšiluma. Vandens savitoji šiluminė galia 4200 J/(kgK), anglies savitoji degimo šiluma – 30 MJ/kg. (10)
913. Kiek kilometrų užteks 10 kg benzino automobilio varikliui, kuris išvysto 69 kW galią važiuojant 54 km/h greičiu ir kurio efektyvumas yra 40 %? Benzino savitoji degimo šiluma yra 4,610 7 J/kg. (40)
Abipusiai mechaninės ir vidinės energijos virsmai
914. At neelastingas poveikis Atsitrenkdama į sieną 50 m/s greičio kulka įkaisdavo 10°C. Darant prielaidą, kad kulka gavo visą smūgio metu išsiskiriančią energiją, raskite kulkos medžiagos savitąją šiluminę talpą. (125)
915. Dvi vienodos kulkos pataikė į sieną. Pirmoji kulka įkaista 0,5 K, antroji - 8 K. Kiek kartų antrosios kulkos greitis didesnis už pirmosios, jei visa kulkų energija išeikvojama joms šildyti? (4)
916. 100 J kinetinės energijos kulka atsitrenkia į sieną ir įkaista 0,5 K. Kiek procentų (procentų) kulkos energijos sugaišo jai įkaitinti, jei kulkos šiluminė talpa 20 J/K? (10)
917. Koks yra krioklio aukštis, jei vandens temperatūra jo apačioje yra 0,05°C aukštesnė nei viršuje? Apsvarstykite visa tai mechaninė energija eina šildyti vandenį. Savitoji vandens šiluminė talpa 4200 J/(kg K), g= 10 m/s 2 . (21)
918. Į kokį aukštį būtų galima pakelti 100 kg sveriantį krovinį, jei būtų įmanoma visiškai paversti darbu išsiskiriančią energiją stiklinę vandens atvėsus nuo 100°C iki 20°C? Vandens masė stiklinėje 250 g, savitoji vandens šiluminė talpa 4200 J/(kg K), į stiklo šiluminę talpą neatsižvelgiama. g= 10 m/s 2 . (84)
919. 2000 kg masės plaktukas numetamas iš 1 m aukščio ant metalinio bloko, kurio masė 2 kg. Dėl smūgio ruošinio temperatūra pakyla 25°C. Darant prielaidą, kad 50% visos išsiskiriančios energijos tenka luitui šildyti, raskite luito medžiagos savitąją šiluminę talpą. g = 10 m/s 2. (200)
920. Plastilino rutulys metamas 10 m/s greičiu 45° kampu į horizontalę link vertikalios sienos, esančios 8 m atstumu nuo metimo taško (horizontaliai). Kiek laipsnių (mK) įkais rutulys, jei prilips prie sienos? Tarkime, kad visa rutulio kinetinė energija buvo skirta jam šildyti. Savitoji plastilino šiluminė talpa yra 250 J/(kgK). g = 10 m/s 2. (136)
921. Švininė kulka, skriejanti 500 m/s greičiu, pramuša sieną. Nustatykite, kiek laipsnių kulka įkaito, jei jos greitis sumažėjo iki 300 m/s. Tarkime, kad 50% išsiskiriančios šilumos buvo panaudota kulkai šildyti. Savitoji švino šiluminė talpa yra 160 J/(kgK). (250)
922. Horizontaliai 500 m/s greičiu skrendanti kulka perveria lentą 20 cm aukštyje nuo žemės. Tuo pačiu metu kulkos temperatūra pakilo 200°C. Darant prielaidą, kad visa smūgio metu išsiskyrusi šiluma buvo panaudota kulkai šildyti, rasti kokiu atstumu (horizontaliai) nuo smūgio taško kulka nukrito ant žemės. Kulkos medžiagos savitoji šiluminė talpa yra 400 J/(kgK). g = 10 m/s 2 . (60)
923. Kūnas nuslysta pasvirusi plokštuma 260 m ilgio ir 60° nuolydžio. Plokštumos trinties koeficientas yra 0,2. Nustatykite, kiek laipsnių padidės kūno temperatūra, jei 50% išsiskiriančios šilumos bus panaudota šildymui. Medžiagos, iš kurios pagamintas korpusas, savitoji šiluminė talpa yra 130 J/(kg K). g= 10 m/s 2. (1)
924. Du identiški rutuliai, pagaminti iš medžiagos su specifinė šiluminė talpa 450 J/(kg K), juda vienas prie kito 40 m/s ir 20 m/s greičiu. Nustatykite, kiek laipsnių jie įkais dėl neelastinio susidūrimo. (1)
925. 10 g masės kulka, skrendanti horizontaliai 400 m/s greičiu, atsitrenkia į 990 g masės medinį trinkelę, pakabintą ant sriegio ir jame įstringa. Kiek laipsnių kulka įkais, jei jai šildyti buvo panaudota 50% išsiskiriančios šilumos? Kulkos medžiagos savitoji šiluminė talpa yra 200 J/(kgK). (198)
926. Kaip greitai turi skrieti kulka, kad atsitrenkdama į sieną ištirptų? Kulkos medžiagos savitoji šiluminė talpa 130 J/(kgK), savitoji lydymosi šiluma 22,25 kJ/kg, lydymosi temperatūra 327°C. Kulkos temperatūra prieš smūgį yra 152°C. Tarkime, kad visa smūgio metu išsiskyrusi šiluma buvo panaudota kulkai šildyti. (300)
927. Iš kokio aukščio (km) turi kristi skardinis rutulys, kad atsitrenkęs į paviršių visiškai ištirptų? Tarkime, kad 50% rutulio energijos patenka į kaitinimą ir tirpimą. Pradinė kamuoliuko temperatūra yra 32°C. Alavo lydymosi temperatūra 232°C, savitoji šiluminė talpa 200 J/(kg K), savitoji lydymosi šiluma 58 kJ/kg. g= 9,8 m/s 2 . (20)
928. Kokiu greičiu švino granulė turi išskristi iš ginklo, kai šaudoma vertikaliai žemyn iš 300 m aukščio, kad atsitrenkus į neelastingą korpusą granulė išsilydytų? Tarkime, kad smūgio metu išsiskirianti šiluma yra tolygiai paskirstyta tarp granulės ir kūno. Pradinė granulių temperatūra yra 177°C. Švino lydymosi temperatūra 327°C, savitoji šiluminė talpa 130 J/(kgK), savitoji lydymosi šiluma 22 kJ/kg. g = 10 m/s 2. (400)
929. Šaudant iš ginklo 45 g sveriantis šūvis išskrenda 600 m/s greičiu. Kiek procentų energijos, išsiskiriančios degant parako užtaisui, sveriančiam 9 g, yra šūvio kinetinė energija? Parako savitoji degimo šiluma yra 3 MJ/kg. (30)
930. Variklis reaktyvinis lėktuvas 20% efektyvumo skrendant 1800 km/h greičiu išvysto 86 kN traukos jėgą. Nustatykite žibalo suvartojimą (tonomis) 1 valandai skrydžio. Žibalo degimo šiluma 4,310 7 J/kg. (18)
931.
Tolimojo pabūklo užtaise yra 150 kg parako. Sviedinio svoris 420 kg. Koks yra didžiausias galimas sviedinio nuotolis (km), jei ginklo efektyvumas yra 25%? Parako savitoji degimo šiluma yra 4,2 MJ/kg. g
= 10 m/s 2. Nepaisykite oro pasipriešinimo. (75)
Lygtis šilumos balansas
a) Šildymas ir vėsinimas
932. Kalorimetre buvo sumaišyti 2 kg 50 °C temperatūros vandens ir 3 kg 30 °C temperatūros vandens. Raskite mišinio temperatūrą (°C). Nepaisykite kalorimetro šiluminės talpos. (38)
933. Į vonią įpilta 210 kg 10°C vandens. Kiek 100°C vandens reikia įpilti į vonią, kad šiluminė pusiausvyra būtų nustatyta 37°C temperatūroje? (90)
934. Būtina maišyti 50°C temperatūros vandenį ir 10°C temperatūros vandenį, kad mišinio temperatūra būtų lygi 20°C. Kiek kartų daugiau turėčiau vartoti? šaltas vanduo nei karšta? (3)
935. Norint paruošti 200 litrų talpos vonią, šaltas 10°C vanduo sumaišomas su karštu 60°C. Kiek litrų šalto vandens reikia išgerti, kad temperatūra vonioje siektų 40°C? (80)
936. Karštas kūnas 50 ° C temperatūroje liečiasi su šaltu 10 ° C temperatūroje. Pasiekus šiluminė pusiausvyra buvo nustatyta 20°C temperatūra. Kiek kartų yra šalto kūno šiluminė talpa daugiau šilumos talpos karšta? (3)
937. Varinis korpusas, įkaitintas iki 100°C, nuleidžiamas į vandenį, kurio masė lygi vario kūno masei. Šiluminė pusiausvyra susidarė 30°C temperatūroje. Nustatykite pradinę vandens temperatūrą (°C). Vandens savitoji šiluminė talpa 4200 J/(kgK), vario 360 J/(kgK). (24)
938. Nustatykite 0,6 kg sveriančio alavo pradinę temperatūrą (kelvinais), jei panardintas į 3 kg sveriantį 300 K temperatūros vandenį, vanduo įkaista 2 K. Savitoji alavo šiluminė talpa yra 250 J/(kg). K), vanduo yra 4200 J/( kgK). (470)
939. Į indą supilta 0,1 kg 60°C temperatūros vandens, po to vandens temperatūra nukrito iki 55°C. Darant prielaidą, kad indo šiluminė talpa 70 J/K, o savitoji vandens šiluma 4200 J/(kgK), raskite pradinę indo temperatūrą (°C). (25)
940. Norint išmatuoti 20 g sveriančio vandens temperatūrą, į jį buvo panardintas termometras, rodantis 32,4 °C. Kokia yra tikroji vandens temperatūra (°C), jei termometro šiluminė talpa yra 2,1 J/K ir prieš panardinant į vandenį jis rodė 8,4 °C kambario temperatūrą? Savitoji vandens šiluminė galia yra 4200 J/(kgK). (33)
941. Termometras, rodantis 22°C temperatūrą, panardinamas į vandenį, po kurio jis rodo 70°C temperatūrą. Kokia buvo vandens temperatūra (°C) prieš panardinant termometrą? Vandens masė 40 g, savitoji vandens šiluma 4200 J/(kg K), termometro šiluminė talpa 7 J/K. (72)
942. Nuleidus iki 100°C įkaitintą kūną į 10°C temperatūros vandenį, temperatūra pasiekė 40°C. Kokia bus vandens temperatūra (°C), jei, neišėmę pirmojo kūno, į jį nuleisite kitą panašų kūną, taip pat įkaitintą iki 100°C? (55)
943. Iki 110°C įkaitintas kūnas buvo nuleistas į indą su vandeniu, dėl to vandens temperatūra pakilo nuo 20°C iki 30°C. Kokia būtų vandens temperatūra (°C), jei į jį tuo pačiu metu kaip ir pirmasis būtų nuleistas kitas panašus, tik iki 120 °C įkaitintas, kūnas? (39)
944.
Kalorimetre atitinkamai sumaišomi trys chemiškai nesąveikaujantys neužšąlantys skysčiai, kurių masė yra 1, 10 ir 5 kg, kurių savitoji šiluminė talpa yra 2, 4 ir 2 kJ/(kg K). Pirmojo ir antrojo skysčių temperatūra prieš maišymą buvo 6°C ir 40°C. Mišinio temperatūra pasiekė 19°C. Prieš maišydami suraskite trečiojo skysčio temperatūrą (°C). (60)
b) Fazinės transformacijos
945. Į indą, kuriame yra 9 kg 20 °C temperatūros vandens, 100 °C temperatūroje įleidžiama 1 kg garų, kurie virsta vandeniu. Nustatykite galutinę vandens temperatūrą (°C). Į indo šiluminę talpą ir šilumos nuostolius neatsižvelgiama. Savitoji vandens šiluminė talpa 4200 J/(kg K), savitoji vandens garavimo šiluma 2,1 10 6 J/kg. (78)
946. Tam tikra masė vandens, kurios pradinė temperatūra 50°C, įkaitinama iki virimo, leidžiant per ją 100°C temperatūros garus. Kiek procentų padidės vandens masė? Savitoji vandens šiluminė talpa 4200 J/(kgK), savitoji vandens garavimo šiluma 2,110 6 J/kg. (10)
947. Dviejuose induose yra 4,18 kg tos pačios temperatūros vandens. Į pirmąjį 100°C temperatūros indą pilama 0,42 kg vandens, o į antrąjį 100°C temperatūros tiek pat vandens garų. Kiek laipsnių temperatūra viename inde bus aukštesnė nei kitame po to, kai kiekviename iš jų nusistovi šiluminė pusiausvyra? Vandens savitoji šiluminė galia 4200 J/(kgK), savitoji vandens garavimo šiluma 2,3 MJ/kg. (50)
948. 10 kg sveriantis plieno gabalas, įkaitintas iki 500°C, nuleidžiamas į indą, kuriame yra 4,6 kg 20°C temperatūros vandens. Vanduo įkaista iki 100°C, o dalis jo virsta garais. Raskite pagamintų garų masę (g). Vandens savitoji šiluminė talpa 4200 J/(kgK), savitoji vandens garavimo šiluma 2,310 6 J/kg, plieno savitoji šiluminė talpa 460 J/(kgK). (128)
949. 250 g svorio sniego gumulas metamas į litrą 20°C temperatūros vandens, iš dalies jau ištirpęs, t.y. turintis šiek tiek vandens 0°C temperatūroje. Pasiekus šiluminę pusiausvyrą, vandens temperatūra inde buvo 5°C. Nustatykite vandens kiekį (g) sniego komoje. Ledo lydymosi savitoji šiluma 330 kJ/kg, vandens savitoji šiluma 4200 J/(kgK). (75)
950. 85 litrų talpos vonia turi būti pripildyta 30°C temperatūros vandeniu, naudojant 80°C temperatūros vandenį ir 20°C temperatūros ledą. Nustatykite ledo masę, kurią reikia įdėti į vonią. Ledo lydymosi savitoji šiluma 336 kJ/kg, ledo savitoji šiluminė galia 2100 J/(kg K), vandens savitoji šiluminė talpa 4200 J/(kg K). (25)
951. Šilumos kiekis, išsiskiriantis, kai 1 kg garų kondensuojasi 100°C temperatūroje ir susidariusį vandenį atšaldo iki 0°C, išleidžiamas tam tikram ledo kiekiui, kurio temperatūra yra 0°C, ištirpdyti. Nustatykite ištirpusio ledo masę. Vandens savitoji šiluminė galia 4200 J/(kgK), savitoji vandens garavimo šiluma 2,22 MJ/kg, ledo lydymosi savitoji šiluma 330 kJ/kg. (8)
952. Mišinys, sudarytas iš 2,51 kg ledo ir 7,53 kg vandens bendra temperatūra 0°C turi būti kaitinama iki 50°C temperatūros, praleidžiant 100°C temperatūros garus. Nustatykite tam reikalingą garų kiekį (g). Vandens savitoji šiluminė galia 4200 J/(kgK), savitoji vandens garavimo šiluma 2,3 MJ/kg, ledo lydymosi savitoji šiluma 330 kJ/kg. (1170)
953. Šilumos pusiausvyros būsenoje inde yra tam tikras kiekis vandens ir tiek pat ledo. Per indą praleidžiami vandens garai, kurių temperatūra yra 100°C. Raskite pastovią vandens temperatūrą inde, jei pratekėjusių garų masė lygi pradinei vandens masei. Vandens savitoji šiluminė galia 4200 J/(kg K), vandens garavimo savitoji šiluma 2,3 MJ/kg, ledo lydymosi savitoji šiluma 330 kJ/kg. (100)
954.
Iš laivo su nedidelė suma 0°C temperatūros vanduo išpumpuoja orą. Tokiu atveju išgaruoja 6,6 g vandens, o likusi dalis užšąla. Raskite susidariusio ledo masę (g). Specifinė vandens garavimo šiluma 0°C temperatūroje yra 2,510 6 J/kg, ledo lydymosi savitoji šiluma 3,310 5 J/kg. (50)
Idealus darbas dujomis
955. At pastovus slėgis 3 kPa dujų tūris padidėjo nuo 7 litrų iki 12 litrų. Kiek darbo nuveikė dujos? (15)
956. Plečiantis cilindre su judančiu stūmokliu, esant pastoviam 100 kPa slėgiui, dujos atlieka 100 kJ darbo. Kiek pasikeitė dujų tūris? (1)
957. Izobariniame procese esant 300 kPa slėgiui idealių dujų absoliuti temperatūra padidėjo 3 kartus. Nustatykite pradinį dujų tūrį (l), jei plėtimosi metu jos atliko 18 kJ darbą. (30)
958. Kiek darbo atlieka du moliai tam tikrų dujų, kurių temperatūra izobariškai padidėja 10 K? Universali dujų konstanta yra 8300 J/(kmolK). (166)
959. Izobariškai kaitinant 2 kg oro, atliktas darbas buvo 166 kJ. Iki kiek laipsnių buvo įkaitintas oras? Oro molinė masė 29 kg/kmol, universali dujų konstanta 8300 J/(kmolK). (290)
960. Vienodos vandenilio ir deguonies masės kaitinamos izobariškai tas pats numeris laipsnių. Vandenilio molinė masė yra 2 kg/kmol, deguonies – 32 kg/kmol. Kiek kartų daugiau darbo atlieka vandenilis nei deguonis? (16)
961. Cilindre po stūmokliu yra tam tikra dujų masė 300 K temperatūroje, užimanti 6 litrus, esant 0,1 MPa slėgiui. Kiek laipsnių dujos turi būti ataušintos esant pastoviam slėgiui, kad darbas jas suspausti būtų lygus 50 J? (25)
962. Cilindre, kurio pagrindo plotas 100 cm 2 Yra 300 K temperatūros dujos. 30 cm aukštyje nuo cilindro pagrindo yra 60 kg sveriantis stūmoklis. Kiek darbo dujos atliks plėtimosi metu, jei jų temperatūra lėtai didinama 50°C? Atmosferos slėgis 100 kPa, g= 10 m/s 2 . (80)
963. Cilindre po stūmokliu yra 0,5 m 3 tūrio dujos, laikomos stūmoklio gravitacijos ir atmosferos slėgio jėgos. Kiek darbo (kJ) atliks kaitinamos dujos, jei jų tūris padvigubės? Atmosferos slėgis 100 kPa, stūmoklio masė 10 kg, stūmoklio plotas 10 3 m 2. g = 10 m/s 2 . (100)
964. Vienas molis dujų buvo atšaldomas izochoriškai taip, kad jų slėgis sumažėjo 5 kartus, o po to izobariškai pakaitintas iki pradinės 400 K temperatūros. Kiek darbo atliko dujos? Universali dujų konstanta yra 8300 J/(kmolK). (2656)
965. Penki moliai dujų pirmiausia kaitinami pastoviu tūriu, kad jų slėgis padidėtų 3 kartus, o po to suspaudžiamas esant pastoviam slėgiui, todėl temperatūra pakyla iki ankstesnės 100 K vertės. Kiek darbų buvo atlikta su dujomis jas suspaudus? Universali dujų konstanta yra 8300 J/(kmolK). (8300)
966. Vienas molis idealių dujų buvo atšaldomas izochoriškai, kad jų slėgis sumažėtų 1,5 karto, o po to izobariškai pašildytas iki ankstesnės temperatūros. Šiuo atveju dujos atliko 8300 J darbą Raskite pradinę dujų temperatūrą (kelvinais). Universali dujų konstanta yra 8300 J/(kmolK). (3000)
967. Idealios 4 molių dujos išplečiamos taip, kad jų slėgis pasikeistų tiesiogiai proporcingai jų tūriui. Kokį darbą atlieka dujos, kai jų temperatūra pakyla 10 K? Universali dujų konstanta yra 8300 J/(kmolK). (166)
968. Idealių dujų, sveriančių 10 kg, temperatūra skiriasi pagal įstatymus T = aV 2 (a= 2 K/m 6). Nustatykite darbą (mJ), kurį atlieka dujos, kai tūris padidėja nuo 2 litrų iki 4 litrų. Dujų molinė masė 12 kg/kmol, universali dujų konstanta 8300 J/(kmolK). (83)
969. Idealios dujos, kurių kiekis yra 2 moliai, yra 400 K temperatūroje. Dujų tūris padvigubinamas taip, kad slėgis nuo tūrio priklauso tiesiškai. Raskite dujų atliktą darbą šiame procese, jei galutinė dujų temperatūra yra lygi pradinei. Universali dujų konstanta yra 8300 J/(kmolK). (4980)
970. Idealios dujos, kurių kiekis yra 2 mol, yra 300 K temperatūroje. Dujų tūris padidinamas 1,5 karto, kad slėgis tiesiškai priklausytų nuo tūrio ir padidėtų 40%. Raskite darbą, kurį atlieka dujos šiame procese. Universali dujų konstanta yra 8300 J/(kmolK). (1743 m.)
971. Idealios dujos, kurių kiekis yra 2 moliai, yra 300 K temperatūroje. Dujų tūris padvigubinamas taip, kad slėgis tiesiškai priklausytų nuo tūrio, tada dujos izobariškai suspaudžiamos iki ankstesnio tūrio. Kiek darbo dujos atliko šiuose dviejuose procesuose, jei galutinis slėgis yra 20% mažesnis už pradinį slėgį? Universali dujų konstanta yra 8300 J/(kmolK). (498)
Pirmasis termodinamikos dėsnis. Idealių dujų vidinė energija
972. Kai dujos buvo šildomos, jų vidinė energija padidėjo nuo 300 J iki 700 J. Kiek darbo atliko dujos, jei joms šildyti buvo išleista 1000 J šilumos? (600)
973. Kaitinant dujas izochoriškai, jų vidinė energija padidėjo nuo 200 J iki 300 J. Kiek šilumos buvo sunaudota dujoms šildyti? (100)
974. Izobarinio plėtimosi metu dujos atliko 100 J darbą, o jų vidinė energija padidėjo 150 J. Tada izochoriniame procese dujoms buvo suteiktas toks pat šilumos kiekis kaip ir pirmajame procese. Kiek dėl šių dviejų procesų padidėjo vidinė dujų energija? (400)
975. IN izoterminis procesas dujos atliko 1000 J darbą Kiek padidės šių dujų vidinė energija, jei joms bus suteiktas dvigubai didesnis šilumos kiekis nei pirmajame procese, o procesas vykdomas izochoriškai? (2000)
976. Izoterminio proceso metu dujos gavo 200 J šilumos. Po to adiabatiniame procese dujos atliko dvigubai daugiau darbo nei pirmajame procese. Kiek dėl šių dviejų procesų sumažėjo vidinė dujų energija? (400)
977. Izobarinio kaitinimo metu dujoms buvo perduodama 16 J šilumos, dėl to dujų vidinė energija padidėjo 8 J, o tūris padidėjo 0,002 m 3. Raskite dujų slėgį (kPa). (4)
978. Idealioms dujoms šildyti, esant pastoviam 0,1 MPa slėgiui, sunaudota 700 J šilumos. Šiuo atveju dujų tūris padidėjo nuo 0,001 iki 0,002 m 3, o vidinė dujų energija pasirodė lygi 800 J. Kokia buvo vidinė dujų energija prieš kaitinant? (200)
979. Nustatykite 0,5 mol dujų vidinės energijos kitimą izobarinio kaitinimo metu nuo 27°C iki 47°C temperatūros, jei dujoms buvo suteiktas 290 J šilumos kiekis. Universali dujų konstanta yra 8300 J/(kmol). K). (207)
980. Kiek laipsnių padidėjo vieno molio idealių dujų temperatūra, jei, esant pastoviam slėgiui, jo vidinė energija padidėjo 747 J, o vieno molio šiluminė talpa esant pastoviam slėgiui buvo 20,75 J/ didesnė už universaliąją dujų konstantą. (molK)? (36)
981. Idealiųjų dujų molis kaitinamas esant pastoviam slėgiui, o tada, esant pastoviam tūriui, perkeliamas į būseną, kurios temperatūra lygi pradinei 300 K temperatūrai. Paaiškėjo, kad dėl to šilumos kiekis Į dujas buvo perduota 12,45 kJ. Kiek kartų pasikeitė dujų užimtas tūris? Universali dujų konstanta yra 8300 J/(kmolK). (6)
982. Norėdami pašildyti tam tikrą idealių dujų kiekį molinė masė 28 kg/kmol esant 14 K esant pastoviam slėgiui reikia 29 J šilumos. Tam, kad tos pačios dujos būtų atšaldytos iki pradinės temperatūros esant pastoviam tūriui, iš jų reikia pašalinti 20,7 J šilumos. Raskite dujų masę (g). Universali dujų konstanta yra 8300 J/(kmol K). (2)
983. Tam tikra idealių dujų masė kaitinama esant pastoviam slėgiui nuo 15°C iki 65°C, sugeriant 5 kJ šilumos. Šildant šias dujas pastoviu tūriu, esant tokiai pačiai pradinei ir galutinei temperatūrai, reikia sunaudoti 3,5 kJ šilumos. Raskite šios masės dujų tūrį (l) esant 15°C temperatūrai ir 20 kPa slėgiui. (432)
a) Šildymas ir vėsinimas
892. Kokios masės gyvsidabrio šiluminė talpa yra tokia pati kaip 13 kg alkoholio? Savitoji alkoholio šiluminė talpa – 2440 J/(kg×K), gyvsidabrio savitoji šiluminė talpa – 130 J/(kg×K). (244)
893. Kai du identiški kūnai trinasi vienas į kitą, jų temperatūra po vienos minutės pakyla 30°C. Kokia vidutinė abiejų kūnų galia susidaro trinties metu? Kiekvieno kūno šiluminė galia yra 800 J/K. (800)
894. Ant 600 W elektrinės viryklės per 40 minučių užvirinama 3 litrai vandens. Pradinė vandens temperatūra yra 20°C. Savitoji vandens šiluminė galia yra 4200 J/(kg×K). Nustatykite įrenginio efektyvumą (procentais). (70)
895. Gręžiant metalą rankiniu grąžtu, 0,05 kg sveriantis grąžtas įkaista iki 20°C per 200 s nuolatinio veikimo. Vidutinė galia, kurią gręžtuvas sunaudoja iš tinklo gręžiant, yra 10 W. Kiek procentų sunaudotos energijos sunaudota grąžtui pašildyti, jei gręžimo medžiagos savitoji šiluminė galia yra 460 J/(kg×K)? (23)
896. Kai veikia 400 W galios elektros variklis, per 50 sekundžių nuolatinio veikimo jis įkaista 10 K. Koks yra variklio naudingumo koeficientas (procentais)? Variklio šiluminė galia 500 J/K. (75)
897. Į alyvą panardintas transformatorius dėl perkrovos pradeda kaisti. Koks jos naudingumo koeficientas (procentais), jei esant pilnai 60 kW galiai 60 kg sverianti alyva per 4 transformatoriaus veikimo minutes įkaista 30°C? Alyvos savitoji šiluminė talpa yra 2000 J/(kg×K). (75)
898. Generatorius skleidžia itin aukšto dažnio impulsus, kurių energija kiekviename impulse yra 700 Hz. Generatoriaus efektyvumas yra 60%. Kiek litrų vandens per valandą reikia praleisti per generatoriaus aušinimo sistemą, kad vanduo įkaistų ne aukščiau kaip 10 K? Savitoji vandens šiluminė galia yra 4200 J/(kg K). (240)
b) Fazinės transformacijos
899. Kiek ledo, paimto 0°C temperatūroje, galima ištirpdyti, suteikiant jam 0,66 MJ energiją? Ledo lydymosi savitoji šiluma yra 330 kJ/kg. (2)
900. Kai 100 kg plieno sukietėja jo lydymosi temperatūroje, išsiskiria 21 MJ šilumos. Kokia yra plieno savitoji lydymosi šiluma (kJ/kg)? (210)
901. Kokį šilumos kiekį (kJ) reikia perduoti 2 kg -10°C temperatūros ledo, kad jis visiškai ištirptų? Ledo savitoji šiluminė talpa 2100 J/(kg×K), ledo lydymosi savitoji šiluma 330 kJ/kg. (702)
902. Tam, kad tam tikras kiekis ledo, paimto -50°C temperatūroje, virstų 50°C temperatūros vandeniu, reikia 645 kJ energijos. Kokia ledo masė? Vandens savitoji šiluminė galia 4200 J/(kg×K), ledo savitoji šiluminė talpa 2100 J/(kg×K), ledo lydymosi savitoji šiluma 3,3×105 J/kg. (1)
903. Koks šilumos kiekis (kJ) reikalingas 0,1 kg verdančio vandens paversti garais? Savitoji vandens garavimo šiluma yra 2,26 MJ/kg. (226)
904. Kiek šilumos (kJ) išsiskirs, kai 100°C temperatūroje kondensuojasi 0,2 kg vandens garų? Savitoji vandens garavimo šiluma yra 2,3×106 J/kg. (460)
905. Kokį šilumos kiekį (kJ) reikia įpilti į 1 kg 0°C vandens, kad jis įkaistų iki 100°C ir visiškai išgaruotų? Vandens savitoji šiluminė galia 4200 J/(kg×K), savitoji vandens garavimo šiluma 2,3×106 J/kg. (2720)
906. 20°C temperatūros vandeniui pašildyti ir paversti garais sunaudota 2596 kJ energijos. Nustatykite vandens masę. Vandens savitoji šiluminė galia 4200 J/(kg×K), savitoji vandens garavimo šiluma 2,26 MJ/kg. (1)
907. Vienai tonai plieno išlydyti naudojama 100 kW galios elektrinė krosnis. Kiek minučių trunka lydymasis, jei luitas turi būti įkaitintas iki 1500 K prieš lydymosi pradžią? Plieno savitoji šiluminė talpa 460 J/(kg×K), plieno savitoji lydymosi šiluma 210 kJ/kg. (150)
908. Norint pašildyti tam tikrą vandens masę nuo 0°C iki 100°C, reikia 8400 J šilumos. Kiek daugiau šilumos (kJ) reikia šiam vandeniui visiškai išgaruoti? Savitoji vandens šiluminė galia 4200 J/(kg K), savitoji vandens garavimo šiluma 2300 kJ/kg. (46)
909. Vandenį šaldytuve atvėsinti nuo 33°C iki 0°C užtruko 21 minutę. Kiek laiko užtruks, kol šis vanduo virs ledu? Savitoji vandens šiluminė talpa 4200 J/(kg K), savitoji ledo lydymosi šiluma 3,3 10 5 J/kg. Pateikite atsakymą per kelias minutes. (50)
910. Indas su vandeniu ant elektrinės viryklės įkaitinamas nuo 20°C iki užvirimo per 20 minučių. Kiek daugiau laiko (minutėmis) reikia, kad 42% vandens pavirstų garais? Vandens savitoji šiluminė galia 4200 J/(kg×K), savitoji vandens garavimo šiluma – 2,2×106 J/kg. (55)
911. Apskaičiuokite dujų degiklio naudingumo koeficientą (procentais), jei jis naudoja dujas, kurių savitasis šilumingumas yra 36 MJ/m 3 , o virduliui su 3 litrais vandens pašildyti nuo 10°C iki virimo prireikė 60 litrų dujų. Virdulio šiluminė galia 600 J/K. Savitoji vandens šiluminė galia yra 4200 J/(kg K). (55)
912. Norint valdyti garo mašiną, per 1 valandą sunaudojama 210 kg anglies. Mašina aušinama vandeniu, kurio įėjimo temperatūra yra 17°C, o išleidimo – 27°C. Nustatykite vandens suvartojimą (kg) per 1 s, jei jai pašildyti sunaudojama 24% viso šilumos kiekio. Vandens savitoji šiluminė galia 4200 J/(kg×K), anglies savitoji degimo šiluma – 30 MJ/kg. (10)
913. Kiek kilometrų užteks 10 kg benzino automobilio varikliui, kuris išvysto 69 kW galią važiuojant 54 km/h greičiu ir kurio efektyvumas yra 40 %? Benzino savitoji degimo šiluma yra 4,6 × 107 J/kg. (40)
Iki šiol mes svarstėme pirmąjį termodinamikos dėsnį, taikomą dujoms. Išskirtinis bruožas dujų yra tai, kad jų tūris gali labai skirtis. Todėl pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį dujoms perduodamos šilumos kiekis Q yra lygus dujų atlikto darbo ir jų vidinės energijos pokyčio sumai:
Q = ∆U + A g.
Šiame skyriuje nagrinėsime atvejus, kai tam tikras šilumos kiekis perduodamas skystai arba kietai medžiagai. Kaitinant ar vėsinant, jų tūris šiek tiek keičiasi, todėl dažniausiai apleidžiamas darbas, kurį jie atlieka plečiant. Todėl skysčiams ir kietosioms medžiagoms pirmasis termodinamikos dėsnis gali būti parašytas kaip
Tačiau šios lygties paprastumas yra apgaulingas.
Faktas yra tas, kad vidinė kūno energija atspindi tik visą jį sudarančių dalelių chaotiško judėjimo kinetinę energiją tik tada, kai šis kūnas yra idealios dujos. Šiuo atveju, kaip jau žinome, vidinė energija yra tiesiogiai proporcinga absoliuti temperatūra(§ 42). Skysčiuose ir kietosiose medžiagose svarbų vaidmenį vaidina potenciali dalelių sąveikos energija. Ir, kaip rodo patirtis, ji gali pasikeisti net su pastovi temperatūra!
Pavyzdžiui, jei perduosite tam tikrą šilumos kiekį vandens ir ledo mišiniui, jo temperatūra išliks pastovi (lygi 0 ºC), kol ištirps visas ledas. (Dėl šios priežasties ledo tirpimo temperatūra kažkada buvo imta kaip atskaitos taškas nustatant Celsijaus skalę.) Šiuo atveju tiekiama šiluma panaudojama potencialiai molekulių sąveikos energijai didinti: norint pasukti kristalą paversti skysčiu, reikia eikvoti energiją kristalinės gardelės sunaikinimui.
Panašus reiškinys vyksta ir verdant: jei tam tikras šilumos kiekis perduodamas vandeniui virimo temperatūroje, jo temperatūra išliks pastovi (lygi 100 ºС normalioje temperatūroje). atmosferos slėgis), kol visas vanduo užvirs. (Todėl jis buvo pasirinktas kaip antrasis Celsijaus skalės atskaitos taškas.) Šiuo atveju tiekiama šiluma taip pat išleidžiama potencialiai molekulių sąveikos energijai didinti.
Gali pasirodyti keista, kad potenciali molekulių sąveikos energija garuose yra didesnė nei vandenyje. Juk dujų molekulės beveik nesąveikauja viena su kita, taigi potenciali energija jų sąveika natūraliai laikoma tokia nulinis lygis. Taip jie ir daro. Bet tada potenciali molekulių sąveikos energija skystyje turi būti laikoma neigiama.
Šis potencialios sąveikos energijos ženklas būdingas pritraukti kūnus. Tokiu atveju, norint padidinti atstumą tarp kūnų, reikia dirbti, tai yra padidinti jų sąveikos potencialią energiją. O jei po to ji taps lygus nuliui, o tai reiškia, kad prieš tai jis buvo neigiamas.
Taigi, skysčių ir kietųjų medžiagų būklės pokytis, kai jiems perduodamas tam tikras šilumos kiekis, turi būti vertinamas atsižvelgiant į jų agregacijos būsenos pasikeitimo galimybę. Agregacijos būsenos pokyčiai vadinami faziniais perėjimais. Tai kietosios medžiagos pavertimas skysčiu (lydymas), skysčio – į kietas(kietėjimas arba kristalizacija), skystis virsta garais (garavimas) ir garai virsta skysčiu (kondensacija).
Energijos tvermės dėsnis šiluminiuose reiškiniuose, vykstančiuose su skysčiais ir kietosiomis medžiagomis, vadinamas šilumos balanso lygtimi.
Pirmiausia panagrinėkime šilumos balanso lygtį tuo atveju, kai šilumos mainai vyksta tarp dviejų kūnų, o jų šilumos mainų su kitais kūnais galima nepaisyti (pagal patirtį tokioms sąlygoms sukurti naudojami kalorimetrai - indai, užtikrinantys jų turinio šilumos izoliaciją) .
Kūnui perduodamą šilumos kiekį laikysime teigiamu (kaip ir anksčiau laikėme dujoms), jei dėl to padidėja vidinė kūno energija, ir neigiamu, jei vidinė energija mažėja. Šiuo atveju šilumos balanso lygtis turi formą
Q 1 + Q 2 = 0, (1)
čia Q 1 – šilumos kiekis, perduotas pirmajam kūnui iš antrojo, o Q 2 – šilumos kiekis, perduotas antrajam kūnui iš pirmojo.
Iš (1) lygties aišku, kad jei vienas kūnas gauna šilumą, tai kitas kūnas ją atiduoda. Tarkime, jei Q 1 > 0, tai Q 2< 0.
Jei šilumos mainai vyksta tarp n kūnų, šilumos balanso lygtis turi tokią formą
Q 1 + Q 2 + … + Q n = 0.
2. Šilumos balanso lygtis be fazių perėjimų
Kūną laikysime vienalyčiu, tai yra, susidedančiu tik iš vienos medžiagos (pavyzdžiui, tam tikros vandens masės, plieno ar vario strypo ir pan.). Pirmiausia panagrinėkime atvejį, kai kūno agregacijos būsena nekinta, tai yra, nevyksta fazinis perėjimas.
Iš pagrindinės mokyklos fizikos kurso žinote, kad šiuo atveju kūnui perduodamos šilumos kiekis Q yra tiesiogiai proporcingas kūno masei m ir jo temperatūros pokyčiui ∆t:
Šioje formulėje tiek Q, tiek ∆t gali būti teigiami arba neigiami dydžiai.
Į šią formulę įtrauktas kiekis c vadinamas medžiagos, iš kurios susideda kūnas, savitoji šiluminė talpa. Paprastai šilumos balanso lygties uždaviniuose temperatūra naudojama Celsijaus skalėje. Tą patį darysime ir mes.
1. 48.1 paveiksle pavaizduoti dviejų kūnų temperatūros grafikai priklausomai nuo jiems perduodamos šilumos kiekio Q. Kiekvieno kūno masė yra 100 g.
A) Kuris kūnas turi didesnę savitąją šilumą ir kiek kartų?
b) Kokia yra kiekvieno kūno savitoji šiluminė talpa?
2. Metalinis cilindras, išimtas iš verdančio vandens, panardinamas į kalorimetrą, kuriame yra 150 g 20 ºС temperatūros vandens. Savitoji vandens šiluminė talpa yra 4,2 kJ/(kg * K). Tarkime, kad šilumos nuostolių galima nepaisyti.
a) Paaiškinkite, kodėl lygtis yra teisinga
c m m m (nuo – 100º) + c iki m iki (t iki – 20º) = 0,
kur c m ir c in yra atitinkamo metalo ir vandens šiluminės talpos vertės, m m ir m in yra atitinkamai cilindro ir vandens masės vertės, t k yra galutinės vertės kalorimetro turinio temperatūra, kai jame nusistovi šiluminė pusiausvyra.
b) Kuris iš dviejų aukščiau pateiktos formulės terminų yra teigiamas, o kuris neigiamas? Paaiškinkite savo atsakymą.
c) Kokia šio metalo savitoji šiluminė talpa, jei cilindro masė yra 100 g, o galutinė temperatūra 25 ºC?
d) Kokia galutinė temperatūra, jei cilindras pagamintas iš aliuminio ir jo masė yra 100 g? Aliuminio savitoji šiluminė talpa yra 0,92 kJ/(kg * K).
e) Kokia yra cilindro masė, jei jis pagamintas iš vario ir jo galutinė temperatūra yra 27 ºC? Vario savitoji šiluminė talpa yra 0,4 kJ/(kg * K).
Panagrinėkime atvejį, kai mechaninė energija virsta vidine energija. Anglų fizikas J. Joule'as bandė išmatuoti, koks karštas bus vanduo krioklyje, kai jis atsitrenks į žemę.
3. Iš kokio aukščio turi kristi vanduo, kad, atsitrenkęs į žemę, jo temperatūra pakiltų 1 ºС? Priimk tai vidinė energija pusė jo potencialios energijos perduodama vandeniui.
Gautas atsakymas paaiškins, kodėl mokslininkui nepavyko. Prašome atsižvelgti į tai, kad mokslininkas savo eksperimentus atliko gimtinėje, kur aukščiausio krioklio aukštis siekia apie 100 m.
Jei kūnas šildomas naudojant elektrinį šildytuvą arba deginant kurą, reikia atsižvelgti į šildytuvo efektyvumą. Pavyzdžiui, jei šildytuvo naudingumo koeficientas yra 60%, tai reiškia, kad šildomo kūno vidinės energijos padidėjimas yra 60% šilumos, išsiskiriančios deginant kurą arba veikiant elektriniam šildytuvui.
Taip pat prisiminkime, kad deginant kurą, kurio masė m, išsiskiria šilumos kiekis Q, kuris išreiškiamas formule
čia q yra savitoji degimo šiluma.
4. Kad puode užvirtų 3 litrus 20 ºС temperatūros vandens, turistai turėjo sudeginti 3 kg sausų brūzgynų. Koks yra ugnies, kaip šildymo prietaiso, efektyvumas? Paimkite savitąją krūmynų degimo šilumą 107 J/kg.
5. Elektriniu šildytuvu bandoma užvirti 10 litrų vandens, tačiau vanduo neužverda: įjungus šildytuvą, jo temperatūra išlieka pastovi, žemesnė nei 100 ºС. Šildytuvo galia 500 W, naudingumo koeficientas 90%.
a) Kiek šilumos per 1 s perduodama vandeniui iš šildytuvo?
b) Koks šilumos kiekis per 1 s perduodamas iš vandens į aplinkinį orą įjungus šildytuvą, kai vandens temperatūra išlieka pastovi?
c) Kiek šilumos per 1 minutę vanduo perduos aplinkiniam orui iš karto išjungus šildytuvą? Tarkime, kad per šį laiką vandens temperatūra labai nepasikeis.
d) Kiek vandens temperatūra nukris per 1 minutę iš karto išjungus šildytuvą?
3. Šilumos balanso lygtis esant faziniams pokyčiams
Prisiminkime keletą jums žinomų faktų iš pagrindinės mokyklos fizikos kurso.
Norint visiškai ištirpti kristalinę kietą medžiagą jos lydymosi temperatūroje, būtina jai perduoti šilumos kiekį Q, proporcingą kūno masei m:
Proporcingumo koeficientas λ vadinamas specifine lydymosi šiluma. Jis skaitine prasme yra lygus šilumos kiekiui, kuris turi būti tiekiamas kristalinis kūnas sveriantis 1 kg lydymosi temperatūroje, kad jis visiškai virstų skysčiu. Savitosios lydymosi šilumos vienetas yra 1 J/kg (džaulis kilogramui).
Pavyzdžiui, specifinė ledo lydymosi šiluma yra 330 kJ/kg.
6. Į kokį aukštį būtų galima pakelti 60 kg sveriantį žmogų, jei jo potenciali energija būtų padidinta tiek, kiek šilumos reikia 1 kg ledo ištirpti 0 ºC temperatūroje?
Sprendžiant problemas, svarbu atsižvelgti į tai, kad kieta medžiaga pradės tirpti tik tada, kai ji bus įkaitinta iki lydymosi temperatūros. Kūno temperatūros priklausomybės nuo jai perduodamos šilumos kiekio grafike lydymosi procesas pavaizduotas horizontaliu segmentu.
7. 48.2 paveiksle parodytas 1 kg sveriančio kūno temperatūros grafikas priklausomai nuo jam perduodamos šilumos kiekio. 
a) Kokia savitoji kietojo kūno šiluma?
b) Kokia yra lydymosi temperatūra?
c) Kokia yra savitoji sintezės šiluma?
d) Kokia yra skystos būsenos kūno savitoji šiluminė talpa?
e) Iš kokios medžiagos gali sudaryti šis kūnas?
8. Skrenda į Žemės atmosferą geležies meteoritas. Geležies savitoji šiluminė talpa yra 460 J/(kg * K), lydymosi temperatūra 1540 ºС, savitoji lydymosi šiluma 270 kJ/kg. Paimkite, kad pradinė meteorito temperatūra prieš patenkant į atmosferą būtų -260 ºС. Sutikite, kad 80 proc. kinetinė energija Kai meteoritas juda atmosfera, jis virsta vidine energija.
a) Koks turėtų būti minimumas pradinis greitis meteoritas, kad jis įkaistų iki lydymosi taško?
b) Kokia meteorito dalis išsilydys, jei pradinis jo greitis bus 1,6 km/s?
Jei yra fazių perėjimai Jei norite sužinoti kūnų lovos temperatūrą, pirmiausia turite išsiaiškinti, kokia bus galutinė būsena. Pavyzdžiui, jei pradinėje būsenoje pateikiamos ledo ir vandens masės bei jų temperatūros, tai yra trys galimybės.
Galutinė būsena yra tik ledas (taip gali nutikti, jei pradinė ledo temperatūra buvo pakankamai žema arba ledo masė pakankamai didelė). Šiuo atveju nežinomas dydis yra galutinė ledo temperatūra. Jei problema išspręsta teisingai, gauta vertė neviršija 0 ºС. Nusistovėjus terminei pusiausvyrai ledas pašildomas iki šios galutinės temperatūros, o visas vanduo atšaldomas iki 0 ºC, tada užšąla, o iš jo susidaręs ledas atšaldomas iki galutinės temperatūros (jei ji žemesnė nei 0 ºC).
Galutinėje būsenoje ledas ir vanduo yra šiluminėje pusiausvyroje. Tai įmanoma tik esant 0 ºС temperatūrai. Nežinomas dydis šiuo atveju bus galutinė ledo masė (arba galutinė vandens masė: pateikiama vandens ir ledo masių suma). Jei problema išspręsta teisingai, tada galutinės ledo ir vandens masės yra teigiamos. Tokiu atveju, kai susidaro šiluminė pusiausvyra, pirmiausia ledas pašildomas iki 0 ºС, o vanduo atšaldomas iki 0 ºС. Tada arba dalis ledo ištirpsta, arba dalis vandens užšąla.
Galutinė būsena yra tik vanduo. Tada nežinomas kiekis yra jo temperatūra (ji turi būti ne žemesnė kaip 0 ºС. Šiuo atveju vanduo atšaldomas iki galutinės temperatūros, o ledas turi eiti sudėtingesniu keliu: pirmiausia jis pašildomas iki 0 ºС). , tada viskas ištirpsta, o tada iš jo susidaręs ledas vanduo pašildomas iki galutinės temperatūros.
Norėdami nustatyti, kuri iš šių galimybių įgyvendinama atliekant tam tikrą užduotį, turite atlikti nedidelį tyrimą.
9. –10 ºC temperatūros ledo gabalas dedamas į kalorimetrą, kuriame yra 1,5 litro 20 ºС temperatūros vandens. Tarkime, kad šilumos nuostolių galima nepaisyti. Ledo savitoji šiluminė talpa yra 2,1 kJ/(kg * K).
a) Kokia galėtų būti ledo masė, jei galutinėje būsenoje kalorimetre yra tik ledas? tik vanduo? ledas ir vanduo šiluminėje pusiausvyroje?
b) Kokia yra galutinė temperatūra, jei pradinė ledo masė yra 40 kg?
c) Kokia yra galutinė temperatūra, jei pradinė ledo masė yra 200 g?
d) Kokia yra galutinė vandens masė, jei pradinė ledo masė yra 1 kg?
Atrodo natūralu, kad norint ištirpti kūnas turi būti tiekiamas tam tikru šilumos kiekiu. Šis reiškinys mums pasitarnauja: pristabdo sniego tirpimą, sumažina potvynius pavasarį.
Tačiau tai, kad kristalizacijos metu kūnas išskiria tam tikrą šilumos kiekį, gali jus nustebinti: ar tikrai vanduo užšaldamas išskiria tam tikrą šilumos kiekį? Ir vis dėlto taip yra: užšaldamas ir virsdamas ledu, vanduo gana daug šilumos atiduoda šaltam orui ar ledui, kurio temperatūra yra žemesnė nei 0 ºС. Šis reiškinys mums taip pat puikiai pasitarnauja, sušvelnindamas pirmąsias šalnas ir žiemos pradžią.
Dabar atsižvelgkime į galimybę skystį paversti garais arba garus skysčiu.
Kaip žinote iš pagrindinės mokyklos fizikos kurso, šilumos kiekis Q, reikalingas skysčiui paversti garais pastovioje temperatūroje, yra proporcingas skysčio masei m:
Proporcingumo koeficientas L vadinamas specifine garavimo šiluma. Jis skaičiais lygus šilumos kiekiui, kurį reikia perduoti 1 kg skysčio, kad jis visiškai virstų garais. Savitosios garavimo šilumos vienetas yra 1 J/kg.
Pavyzdžiui, savitoji vandens garavimo šiluma esant virimo temperatūrai ir normaliam atmosferos slėgiui yra maždaug 2300 kJ/kg.
10. 100 g 100 ºC temperatūros vandens garų įleidžiama į kalorimetrą, kuriame yra 1 litras 20 ºС temperatūros vandens. Kokia bus kalorimetro temperatūra nusistačius šiluminę pusiausvyrą? Galima nepaisyti šilumos nuostolių.
Papildomi klausimai ir užduotys
11. Tam tikros masės vandens pašildymas ant viryklės nuo 20 ºС iki virimo užtruko 6 minutes. Kiek laiko užtruks, kol visas šis vanduo užvirs? Tarkime, kad šilumos nuostolių galima nepaisyti.
12. Garai įvedami į kalorimetrą, kuriame yra 100 g sveriančio ledo, esant 0 °C temperatūrai, esant 100 °C temperatūrai. Kokia bus vandens masė kalorimetre, kai visas ledas ištirps ir vandens temperatūra bus 0 ºC?
13. Įkaitęs aliuminio kubas buvo uždėtas ant plokščios ledo sankaupos, kurios temperatūra buvo 0 ºС. Iki kokios temperatūros buvo įkaitintas kubas, jei jis buvo visiškai panardintas į ledą? Tarkime, kad šilumos nuostolių galima nepaisyti. Aliuminio savitoji šiluminė talpa yra 0,92 kJ/(kg * K).
14. Švino kulka pataiko į plieninę plokštę ir atsimuša į ją. Kulkos temperatūra prieš smūgį 50 ºС, greitis 400 m/s. Kulkos greitis po smūgio yra 100 m/s. Kokia kulkos dalis išsilydo, jei 60% prarastos kinetinės energijos buvo paversta vidine kulkos energija? Savitoji švino šiluma yra 0,13 kJ/(kg * K), lydymosi temperatūra 327 ºС, savitoji lydymosi šiluma 25 kJ/kg.
15. Į kalorimetrą, kuriame yra 1 litras 20 ºС temperatūros vandens, įdėkite 100 g šlapio sniego, kurio vandens kiekis (pagal masę) yra 60%. Kokia temperatūra bus nustatyta kalorimetre nusistačius šiluminę pusiausvyrą? Galima nepaisyti šilumos nuostolių.
Užuomina. Šlapias sniegas – vandens ir ledo mišinys, kurio temperatūra 0 ºC. 
