· Ілля Добрий · ГДЗ · 2 хв. читати

17. Тепловий баланс - Бар'яхтар

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 кгm_1 = 80 \text{ кг}
t1=10 °Сt_1 = 10 \text{ °С}
t2=100 °Сt_2 = 100 \text{ °С}
t=25 °Сt = 25 \text{ °С}
c=4200Джкг°Сc = 4200 \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}
m2?m_2 - ?
Розв’язання:
Qвіддано=QотриманоQ_{\text{віддано}} = Q_{\text{отримано}}
cm2(t2t)=cm1(tt1)c \cdot m_2 \cdot (t_2 - t) = c \cdot m_1 \cdot (t - t_1)

Скорочуємо питому теплоємність води c:

m2(t2t)=m1(tt1)m_2 \cdot (t_2 - t) = m_1 \cdot (t - t_1)
m2=m1tt1t2t=80251010025=801575=8015=16 кгm_2 = m_1 \cdot \dfrac{t - t_1}{t_2 - t} = 80 \cdot \dfrac{25 - 10}{100 - 25} = 80 \cdot \dfrac{15}{75} = 80 \cdot \dfrac{1}{5} = 16 \text{ 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 кгm_1 = 2 \text{ кг}
t1=40 °Сt_1 = 40 \text{ °С}
m2=4 кгm_2 = 4 \text{ кг}
t2=85 °Сt_2 = 85 \text{ °С}
c=4200Джкг°Сc = 4200 \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}
t?t - ?
Розв’язання:
Qвіддано=QотриманоQ_{\text{віддано}} = Q_{\text{отримано}}
cm2(t2t)=cm1(tt1)c \cdot m_2 \cdot (t_2 - t) = c \cdot m_1 \cdot (t - t_1)

Скорочуємо питому теплоємність води c:

m2(t2t)=m1(tt1)m_2 \cdot (t_2 - t) = m_1 \cdot (t - t_1)
m2t2m2t=m1tm1t1m_2 t_2 - m_2 t = m_1 t - m_1 t_1
m1t+m2t=m1t1+m2t2m_1 t + m_2 t = m_1 t_1 + m_2 t_2
t(m1+m2)=m1t1+m2t2t \cdot (m_1 + m_2) = m_1 t_1 + m_2 t_2

Виражаємо кінцеву температуру t:

t=m1t1+m2t2m1+m2t = \dfrac{m_1 t_1 + m_2 t_2}{m_1 + m_2}

t=240+4852+4=80+3406=4206=70 °Сt = \dfrac{2 \cdot 40 + 4 \cdot 85}{2 + 4} = \dfrac{80 + 340}{6} = \dfrac{420}{6} = 70 \text{ °С}

Відповідь: 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 кгm_{\text{в}} = 250 \text{ г} = 0,25 \text{ кг}
tв=15 °Сt_{\text{в}} = 15 \text{ °С}
mс=200 г=0,2 кгm_{\text{с}} = 200 \text{ г} = 0,2 \text{ кг}
t=25 °Сt = 25 \text{ °С}
cв=4200Джкг°Сc_{\text{в}} = 4200 \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}
cс=500Джкг°Сc_{\text{с}} = 500 \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}
tс?t_{\text{с}} - ?
Розв’язання:
Qс=QвQ_{\text{с}} = Q_{\text{в}}
cсmс(tсt)=cвmв(ttв)c_{\text{с}} \cdot m_{\text{с}} \cdot (t_{\text{с}} - t) = c_{\text{в}} \cdot m_{\text{в}} \cdot (t - t_{\text{в}})

Виражаємо початкову температуру бруска tсt_{\text{с}}:

tсt=cвmв(ttв)cсmсt_{\text{с}} - t = \dfrac{c_{\text{в}} \cdot m_{\text{в}} \cdot (t - t_{\text{в}})}{c_{\text{с}} \cdot m_{\text{с}}}
tс=t+cвmв(ttв)cсmсt_{\text{с}} = t + \dfrac{c_{\text{в}} \cdot m_{\text{в}} \cdot (t - t_{\text{в}})}{c_{\text{с}} \cdot m_{\text{с}}}
tс=25+42000,25(2515)5000,2=25+105010100=25+105=130 °Сt_{\text{с}} = 25 + \dfrac{4200 \cdot 0,25 \cdot (25 - 15)}{500 \cdot 0,2} = 25 + \dfrac{1050 \cdot 10}{100} = 25 + 105 = 130 \text{ °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 кгm_{\text{л}} = 200 \text{ г} = 0,2 \text{ кг}
mв=400 г=0,4 кгm_{\text{в}} = 400 \text{ г} = 0,4 \text{ кг}
t1=20 °Сt_1 = 20 \text{ °С}
mср=800 г=0,8 кгm_{\text{ср}} = 800 \text{ г} = 0,8 \text{ кг}
tср=69 °Сt_{\text{ср}} = 69 \text{ °С}
t2=25 °Сt_2 = 25 \text{ °С}
cв=4200Джкг°Сc_{\text{в}} = 4200 \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}
cл=400Джкг°Сc_{\text{л}} = 400 \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}
cср?c_{\text{ср}} - ?
Розв’язання:

Теплоту віддає срібло. Отримують теплоту вода і латунна посудина.

Qвіддано=QотриманоQ_{\text{віддано}} = Q_{\text{отримано}}
Qср=Qв+QлQ_{\text{ср}} = Q_{\text{в}} + Q_{\text{л}}
mсрcср(tсрt2)=mвcв(t2t1)+mлcл(t2t1)m_{\text{ср}} c_{\text{ср}} (t_{\text{ср}} - t_2) = m_{\text{в}} c_{\text{в}} (t_2 - t_1) + m_{\text{л}} c_{\text{л}} (t_2 - t_1)
mсрcср(tсрt2)=(mвcв+mлcл)(t2t1)m_{\text{ср}} c_{\text{ср}} (t_{\text{ср}} - t_2) = (m_{\text{в}} c_{\text{в}} + m_{\text{л}} c_{\text{л}}) \cdot (t_2 - t_1)

Виражаємо питому теплоємність срібла cсрc_{\text{ср}}:

cср=(mвcв+mлcл)(t2t1)mср(tсрt2)c_{\text{ср}} = \dfrac{(m_{\text{в}} c_{\text{в}} + m_{\text{л}} c_{\text{л}}) \cdot (t_2 - t_1)}{m_{\text{ср}} \cdot (t_{\text{ср}} - t_2)}

cср=(0,44200+0,2400)(2520)0,8(6925)=(1680+80)50,844=1760535,2=880035,2=250Джкг°Сc_{\text{ср}} = \dfrac{(0,4 \cdot 4200 + 0,2 \cdot 400) \cdot (25 - 20)}{0,8 \cdot (69 - 25)} = \dfrac{(1680 + 80) \cdot 5}{0,8 \cdot 44} = \dfrac{1760 \cdot 5}{35,2} = \dfrac{8800}{35,2} = 250 \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}

Відповідь: 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 кгm_{\text{м}} = 0,15 \text{ кг}
mв=0,2 кгm_{\text{в}} = 0,2 \text{ кг}
t1=18 °Сt_1 = 18 \text{ °С}
mа=0,3 кгm_{\text{а}} = 0,3 \text{ кг}
tа=95 °Сt_{\text{а}} = 95 \text{ °С}
cм=380Джкг°Сc_{\text{м}} = 380 \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}
cв=4200Джкг°Сc_{\text{в}} = 4200 \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}
cа=920Джкг°Сc_{\text{а}} = 920 \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°С}}
t?t - ?
Розв’язання:

Теплоту віддає алюмінієва деталь. Отримують теплоту вода і мідний калориметр.

Qвіддано=QотриманоQ_{\text{віддано}} = Q_{\text{отримано}}
mаcа(tаt)=(mвcв+mмcм)(tt1)m_{\text{а}} c_{\text{а}} (t_{\text{а}} - t) = (m_{\text{в}} c_{\text{в}} + m_{\text{м}} c_{\text{м}}) \cdot (t - t_1)

Підставляємо значення та розв’язуємо рівняння відносно t:

0,3920(95t)=(0,24200+0,15380)(t18)0,3 \cdot 920 \cdot (95 - t) = (0,2 \cdot 4200 + 0,15 \cdot 380) \cdot (t - 18)
276(95t)=(840+57)(t18)276 \cdot (95 - t) = (840 + 57) \cdot (t - 18)
26220276t=897t1614626220 - 276t = 897t - 16146
897t+276t=26220+16146897t + 276t = 26220 + 16146
1173t=423661173t = 42366
t=42366117336,1 °Сt = \dfrac{42366}{1173} \approx 36,1 \text{ °С}

Відповідь: у калориметрі встановиться температура приблизно 36,1 °С.

Оцініть матеріал

Натисніть на зірку для оцінки:

Коментарі

Залишити відповідь:

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься

Назад