Решение более сложных задач по теме "Изменение агрегатных состояний вещества"

Тема: Агрегатные состояния вещества

Урок: Решение более сложных задач по теме «Изменение агрегатных состояний вещества»

1. Повторение теории темы «Тепловые явления и агрегатные состояниявещества»

Сегодняшний урок является завершающим в главе «Агрегатные состояниявещества», и в рамках него мы решим несколько задач, которые могли бы быть включены в контрольную работу по этой теме. Ранее мы рассмотрели множество тепловых процессов: нагревание и охлаждение, плавление и кристаллизация, парообразование и конденсация, горение топлива. Кроме этого, мы обсуждали применение в технике технологий, описание которых требует владения указанными понятиями и такой характеристикой любого технического устройства, как КПД.

Вспомним, какие формулы необходимо знать, чтобы решать задачи по теме «Тепловые явления и агрегатные состояниявещества».

Количество теплоты нагрева или охлаждения тела:

Количество теплоты плавления или кристаллизации тела:

Количество теплоты парообразования или конденсации тела:

Количество теплоты сгорания топлива:

В указанных формулах присутствуют табличные величины, которые тоже необходимо вспомнить:

 удельная теплоемкость, ;

 удельная теплота плавления, ;

 удельная теплота парообразования, ;

 удельная теплота сгорания топлива, .

Перейдем к решению задач. Начнем с задачи, которая соответствует по типу предлагающимся на ЕГЭ (едином государственном экзамене) заданиям.

2. Задача об исследовании графика тепловых процессов

Пример 1. По указанному графику (рис. 1) определите участок этого графика, который соответствует конденсации вещества. Первоначально вещество находится в газообразном состоянии.

Рис. 1.

Решение. Как видно из графика, по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат – температура вещества.

В условии задачи указано, что некое вещество изначально находится в газообразном состоянии (в точке А), из графика можем сделать вывод, что из исходного состояния с течением времени происходит понижение температуры вещества в газообразном состоянии (до точки B). На участке BC, как видно, с течением времени не происходит изменения температуры, а это соответствует либо поддержанию вещества при постоянной температуре, либо агрегатному переходу. Поскольку в условии указано, что агрегатный переход (конденсация) осуществляется, а на графике горизонтальных участков больше нет, то BC соответствует процессу конденсации, о котором спрашивается в условии.

Если проанализировать график на остальных его участках, то на участке CD происходит остывание жидкости, а на DE – ее нагревание.

Ответ. Участок BC.

3. Задача на уравнение теплового баланса

Пример 2. 20 л холодной воды, взятой при температуре , поместили в некий изолированный сосуд. К этой воде добавили некоторое количество кипятка. В результате получилась вода температурой . Какой объем кипятка был добавлен к холодной воде?

Решение. Запишем условие задачи:

Дано:	СИ

Поскольку для определения количеств теплоты, которые участвуют в теплообмене, необходимо определить массу воды, выпишем ее плотность из соответствующей таблицы  и вычислим массу .

Выпишем также значение удельной теплоемкости воды, которая будет необходима для вычисления количества теплоты: .

Поскольку по условию сосуд, в котором находятся жидкости, теплоизолирован, то можно утверждать, что тепловая энергия перераспределится между холодной и горячей водой, и мы будем иметь возможность воспользоваться в данном случае уравнением теплового баланса. В уравнении будут присутствовать два количества теплоты: нагрева холодной воды и охлаждения горячей, другие тепловые процессы в рамках задачи не происходят.

 уравнение теплового баланса.

 количество теплоты нагревания холодной воды.

 количество теплоты охлаждения горячей воды.

Подставим полученные выражения в уравнение теплового баланса:

.

Вычислим искомый объем воды: .

Замечание. Следует отметить, что значение удельной теплоемкости воды не важно при решении задачи, т. к. эта величина сокращается на определенном этапе решения. Аналогично можно обойтись и без значения плотности воды, если не рассчитывать массу воды в начале решения, а подставить ее в общем виде в уравнение теплового баланса. В таком случае плотность воды также сократится.

Ответ. .

4. Задача на КПД теплового прибора

Пример 3. 1,2 л воды, взятой при температуре , на электроплитке, КПД которой равно 65%, довели до кипения (рис. 2). Мощность электроплитки составляет 800 Вт. 3% воды при этом превратилось в пар. Сколько времени длилось нагревание?

Решение.

Рис. 2.

Запишем условие задачи:

Дано:	СИ

Для удобства расчетов и записи в «дано» проценты переведены в сотые доли.

Поскольку в условии задачи речь идет об учитывании значения КПД плитки, то следует определиться с тем, какая работа является полезной в данном случае. Полезной работой является количество теплоты нагрева воды и ее частичного парообразования, т. к. именно для этого, в частности, и предназначена нагревательная плитка.

Выпишем дополнительные табличные данные, необходимые для решения задачи: плотность воды , ее удельная теплоемкость  и удельная теплота парообразования .

Вычислим массу воды, которая нагревается:

.

Количество теплоты, затраченное на нагревание воды:

.

Для вычисления количества теплоты парообразования части воды необходимо вычислить массу пара, которая в итоге образуется. Для этого более подробно остановимся на вычислении 3% от массы воды. 3% – это три сотых от числа, т. е. для вычисления 3% от массы воды (масса образовавшегося пара) проделаем следующее действие: .

Количество теплоты, затраченное на парообразование части воды:

.

Воспользуемся формулой мощности для вычисления количества теплоты, выделенного электроплиткой (), т. е. полного количества теплоты:

.

Полезная работа нагрева и парообразования воды, как уже было оговорено ранее:

.

Воспользуемся формулой вычисления КПД электроплитки (без процентов), выразим из нее искомое время и вычислим его:.

.

Ответ. .

Рассмотренная нами задача является сложной и представляет собой образец применения сразу нескольких понятий изученной темы в едином комплексе.

На этом мы подводим итог теме «Тепловые явления и агрегатные состояниявещества». На следующем уроке мы начнем новую большую тему «Электромагнитные явления».

 

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Физика 10 (Источник).
2. Элементы (Источник).

 

Домашнее задание

1. В термос с водой, температура которой , опустили кубик льда с такой же температурой. Будет ли лед таять?
2. Какое количество теплоты должен отобрать холодильник у воды, взятой при температуре , чтобы получилось  льда при температуре ?
3. Может ли вода быть жидкой при температуре ?
4. В калориметре находится вода при температуре . После того как в калориметр впустили 5 г водяного пара, имеющего температуру , температура поднялась до . Сколько воды было в калориметре?