Контрольні запитання
1. Сформулюйте закон збереження енергії, на підставі якого складають рівняння теплового балансу.
Для системи тіл, яка не одержує і не віддає енергію, а зміна внутрішньої енергії відбувається лише внаслідок теплообміну між тілами системи, закон збереження енергії стверджує: скільки теплоти віддають одні тіла системи, стільки ж теплоти одержують інші . Це твердження лежить в основі рівняння теплового балансу:
Q₁⁻ + Q₂⁻ + … + Qₙ⁻ = Q₁⁺ + Q₂⁺ + … + Qₖ⁺
2. Назвіть умови, які мають виконуватися для використання рівняння теплового балансу.
Для використання рівняння теплового балансу мають виконуватися такі умови:
- Система тіл має бути замкненою, тобто не повинно бути теплообміну з навколишнім середовищем.
- Зміна внутрішньої енергії тіл має відбуватися тільки внаслідок теплообміну між тілами всередині системи.
- Зрештою процес теплообміну приводить до стану теплової рівноваги, тобто температури всіх тіл системи стають однаковими.
Вправа №17
Задача 1
Умова: У ванну налили 80 кг води за температури 10 °С. Скільки води за температури 100 °С потрібно додати у ванну, щоб температура води в ній стала 25 °С? Теплообміном між ванною та водою знехтуйте.
Дано:m1=80 кгt1=10 °Сt2=100 °Сt=25 °Сc=4200кг⋅°СДж Розв’язання:Qвіддано=Qотриманоc⋅m2⋅(t2−t)=c⋅m1⋅(t−t1)Скорочуємо питому теплоємність води c:
m2⋅(t2−t)=m1⋅(t−t1)m2=m1⋅t2−tt−t1=80⋅100−2525−10=80⋅7515=80⋅51=16 кг Відповідь: потрібно додати 16 кг води.
Задача 2
Умова: У каструлю налили 2 кг води за температури 40 °С, а потім додали 4 кг води за температури 85 °С. Визначте температуру суміші. Теплообміном між каструлею та водою знехтуйте.
Дано:m1=2 кгt1=40 °Сm2=4 кгt2=85 °Сc=4200кг⋅°СДж Розв’язання:Qвіддано=Qотриманоc⋅m2⋅(t2−t)=c⋅m1⋅(t−t1) Скорочуємо питому теплоємність води c:
m2⋅(t2−t)=m1⋅(t−t1)
m2t2−m2t=m1t−m1t1
m1t+m2t=m1t1+m2t2
t⋅(m1+m2)=m1t1+m2t2
Виражаємо кінцеву температуру t:
t=m1+m2m1t1+m2t2
t=2+42⋅40+4⋅85=680+340=6420=70 °СВідповідь: температура суміші стане 70 °С.
Задача 3
Умова: У воду масою 250 г за температури 15 °С занурили нагрітий у печі сталевий брусок масою 200 г. Температура води збільшилася до 25 °С. Обчисліть температуру в печі.
Дано:mв=250 г=0,25 кгtв=15 °Сmс=200 г=0,2 кгt=25 °Сcв=4200кг⋅°СДжcс=500кг⋅°СДж tс−? Розв’язання:Qс=Qвcс⋅mс⋅(tс−t)=cв⋅mв⋅(t−tв)Виражаємо початкову температуру бруска tс:
tс−t=cс⋅mсcв⋅mв⋅(t−tв)tс=t+cс⋅mсcв⋅mв⋅(t−tв)tс=25+500⋅0,24200⋅0,25⋅(25−15)=25+1001050⋅10=25+105=130 °С Відповідь: температура в печі була 130 °С.
Задача 4
Умова: Латунна посудина масою 200 г містить 400 г води за температури 20 °С. У воду опустили 800 г срібла за температури 69 °С. У результаті вода нагрілася до температури 25 °С. Визначте питому теплоємність срібла.
Дано:mл=200 г=0,2 кгmв=400 г=0,4 кгt1=20 °Сmср=800 г=0,8 кгtср=69 °Сt2=25 °Сcв=4200кг⋅°СДжcл=400кг⋅°СДж cср−? Розв’язання:Теплоту віддає срібло. Отримують теплоту вода і латунна посудина.
Qвіддано=QотриманоQср=Qв+Qлmсрcср(tср−t2)=mвcв(t2−t1)+mлcл(t2−t1)mсрcср(tср−t2)=(mвcв+mлcл)⋅(t2−t1)Виражаємо питому теплоємність срібла cср:
cср=mср⋅(tср−t2)(mвcв+mлcл)⋅(t2−t1)
cср=0,8⋅(69−25)(0,4⋅4200+0,2⋅400)⋅(25−20)=0,8⋅44(1680+80)⋅5=35,21760⋅5=35,28800=250кг⋅°СДжВідповідь: питома теплоємність срібла дорівнює 250 Дж/(кг·°С).
Задача 5 (придумана)
Умова: У мідний калориметр масою 150 г, що містить 200 г води при 18 °С, опускають алюмінієву деталь масою 300 г, нагріту до 95 °С. Яка температура встановиться в калориметрі? (Питома теплоємність міді 380 Дж/(кг·°С), алюмінію 920 Дж/(кг·°С)
Дано:mм=0,15 кгmв=0,2 кгt1=18 °Сmа=0,3 кгtа=95 °Сcм=380кг⋅°СДжcв=4200кг⋅°СДжcа=920кг⋅°СДж Розв’язання:Теплоту віддає алюмінієва деталь. Отримують теплоту вода і мідний калориметр.
Qвіддано=Qотриманоmаcа(tа−t)=(mвcв+mмcм)⋅(t−t1) Підставляємо значення та розв’язуємо рівняння відносно t:
0,3⋅920⋅(95−t)=(0,2⋅4200+0,15⋅380)⋅(t−18)
276⋅(95−t)=(840+57)⋅(t−18)
26220−276t=897t−16146
897t+276t=26220+16146
1173t=42366
t=117342366≈36,1 °С
Відповідь: у калориметрі встановиться температура приблизно 36,1 °С.