fizika

tanulási célok

végére ez a szakasz, akkor képes lesz arra, hogy:

• vizsgálja hőátadás.
• Számítsa ki a végső hőmérsékletet a hőátadásból.

1.ábra. A levegőből származó hő a jégbe jut, ami megolvad. (hitel: Mike Brand)

2.ábra. a) energia szükséges ahhoz, hogy részben legyőzzük a szilárd molekulák közötti vonzó erőket, hogy folyadékot képezzünk. Ugyanezt az energiát el kell távolítani a fagyasztáshoz. b) a molekulákat nagy távolságok választják el, amikor folyadékról gőzre mennek, jelentős energiát igényelnek a molekuláris vonzerő leküzdéséhez. Ugyanezt az energiát el kell távolítani a kondenzáció bekövetkezéséhez. A fázisváltozás befejezéséig nincs hőmérsékletváltozás.

3.ábra. Egy grafikont a hőmérséklet versus energia hozzáadott. A rendszer úgy van kialakítva, hogy a gőz ne párologjon el, miközben a jég felmelegszik, hogy folyékony vízré váljon, így a párologtatás során a gőz a rendszerben marad. A 0 ° C-on és 100 ° C-on mért állandó hőmérsékleti értékek hosszú szakaszai az olvadás és a párolgás nagy látens hőjét tükrözik.

1. példa. Számítsa ki a végső hőmérsékletet a Fázisváltozástól: hűtési szóda jégkockákkal

három jégkockát használnak a szóda 20ºC-os hűtésére msoda = 0,25 kg tömeggel. A jég 0ºc – on van, minden jégkocka tömege 6,0 g.tegyük fel, hogy a szódát habtartályban tartják, hogy a hőveszteséget figyelmen kívül lehessen hagyni. Tegyük fel, hogy a szóda ugyanolyan hőteljesítménnyel rendelkezik, mint a víz. Keresse meg a végső hőmérsékletet, amikor az összes jég megolvadt.

stratégia

a jégkockák 0ºc olvadási hőmérsékleten vannak. A hőt a szódából a jégbe olvasztják. A jég olvadása két lépésben történik: először a fázisváltozás következik be, majd a szilárd (jég) folyékony vízré alakul az olvadási hőmérsékleten, majd a víz hőmérséklete emelkedik. Az olvadás 0ºc-os vizet eredményez, így több hő kerül át a szódából erre a vízre, amíg a víz plusz szóda rendszer el nem éri a termikus egyensúlyt, Qice = − Qsoda.

a jégre továbbított hő

Qice = egerek Lf + micecW (Tf−0ºC).

a szóda által kibocsátott hő Qsoda = msodacW (Tf−20ºC). Mivel nincs hő elvész, Qice = – Qsoda, úgy, hogy

egerek Lf + micecW(Tf−0ºC) = –msodacW (Tf−20ºC).

hozza a bal oldalon a TF-t érintő összes kifejezést, a jobb oldalon pedig az összes többi kifejezést. Oldja meg az ismeretlen mennyiség Tf:

\displaystyle{T}_{\text{f}}=\frac{m_{\text{soda}}c_{\text{W}}\left(20^{\circ}\text{C}\right)-m_{\text{ice}}L_{\text{f}}}{\left(m_{\text{soda}}+m_{\text{ice}}\right)c_{\text{W}}}\\

oldat

1. határozza meg az ismert mennyiségeket. A jég tömege egerek = 3 × 6,0 g = 0,018 kg, a szóda tömege msoda = 0,25 kg.
2. Számolja ki a számlálóban szereplő kifejezéseket: m sodacW(20ºC)=(0,25 kg)(4186 J/kg º ºC)(20ºC) = 20,930 J és miceLf = (0,018 kg)(334,000 J/kg) = 6012 J.
4. Számítsa ki a nevezőt: (msoda + egerek)cW = (0,25 kg + 0.018 kg) (4186 K/(kg º ºC) = 1122 J/ºC.
5. Számítani a végső hőmérséklet: \displaystyle{T}_{\text{f}}=\frac{20,930\text{ J}-6012\text{ J}}{1122\text{ J/}^{\circ}\text{C}}=13^{\circ}\text{C}\\

Vita

Ez a példa szemlélteti, hogy a hatalmas energiák benne során egy fázisváltó. A jég tömege körülbelül 7% – a a víz tömegének, de a szóda hőmérsékletének észrevehető változásához vezet. Bár azt feltételeztük, hogy a jég fagyási hőmérsékleten van, ez helytelen: a tipikus hőmérséklet −6ºC. Ez a korrekció azonban olyan végső hőmérsékletet ad, amely lényegében megegyezik a talált eredménnyel. Meg tudja magyarázni, miért?

4.ábra. Kondenzáció egy pohár jeges tea. (hitel: Jenny Downing)

valós alkalmazás

energia is felszabadul, ha egy folyadék lefagy. Ezt a jelenséget a floridai gyümölcstermesztők használják a narancs védelmére, ha a hőmérséklet közel van a fagyponthoz (0ºC). A termelők a gyümölcsösökben permeteznek vizet a növényekre, hogy a víz megfagyjon, és a fákon lévő növekvő narancsoknak hő szabaduljon fel. Ez megakadályozza, hogy a narancs belsejében lévő hőmérséklet fagypont alá csökkenjen, ami károsíthatja a gyümölcsöt.

14.11. A jég ezeken a fákon nagy mennyiségű energiát szabadított fel, amikor megfagyott, segítve megakadályozni, hogy a fák hőmérséklete 0ºc alá csökkenjen. A vizet szándékosan permetezik a gyümölcsösökre, hogy megakadályozzák a kemény fagyokat. (credit: Hermann Hammer)

5. ábra. A szilárd és a gőz közötti közvetlen átmenetek gyakoriak, néha hasznosak, sőt gyönyörűek is. a) a szárazjég közvetlenül szublimálja a szén-dioxid-gázt. A látható gőz vízcseppekből készül. (hitel: Windell Oskay) (b) a fagy mintákat képez egy nagyon hideg ablakon, egy példa egy közvetlenül gőzből képződött szilárd anyagra. (hitel: Liz West)

ellenőrizze megértését

miért marad a hó a hegyi lejtőkön, még akkor is, ha a nappali hőmérséklet magasabb, mint a fagypont?

a hó jégkristályokból képződik, így a víz szilárd fázisa. Mivel a fázisváltozásokhoz hatalmas hő szükséges, bizonyos ideig tart, amíg ez a hő felhalmozódik a levegőből, még akkor is, ha a levegő 0ºc felett van. Minél melegebb a levegő, annál gyorsabb ez a hőcsere, annál gyorsabban olvad a hó.

fogalmi kérdések

1. a hőátadás hőmérséklet-és fázisváltozást okozhat. Mi más okozhatja ezeket a változásokat?
2. hogyan segít a víz fúziójának látens hője lassítani a levegő hőmérsékletének csökkenését, talán megakadályozva, hogy a hőmérséklet jelentősen ºC alá csökkenjen, nagy víztestek közelében?
3. mi a jég hőmérséklete közvetlenül a víz fagyasztása után?
4. ha a ºC jeget ºC vízbe helyezi egy szigetelt tartályba, mi fog történni? Néhány jég megolvad, több víz fagy, vagy sem fog megtörténni?
5. milyen hatással van a páralecsapódás egy pohár jeges vízre a jég olvadásának sebességére? A kondenzáció felgyorsítja az olvadási folyamatot, vagy lelassítja?
6. nagyon nedves éghajlaton, ahol számos víztest van, például Floridában, szokatlan, hogy a hőmérséklet körülbelül 35ºC (95ºF) fölé emelkedik. A sivatagokban azonban a hőmérséklet messze meghaladhatja ezt. Magyarázza el, hogyan segít a víz elpárolgása korlátozni a magas hőmérsékletet nedves éghajlaton.
7. télen San Franciscóban gyakran melegebb, mint a közeli Sacramentóban, 150 km-re a szárazföldön. Nyáron, szinte mindig melegebb Sacramento. Magyarázza el, hogy a San Franciscót körülvevő víztestek hogyan mérséklik a szélsőséges hőmérsékleteket.
8. a fedél felhelyezése egy forró edényre nagymértékben csökkenti a forráshoz szükséges hőátadást. Magyarázd el, miért.
9. a fagyasztva szárított ételeket vákuumban dehidratálták. A folyamat során az élelmiszer lefagy, majd fel kell melegíteni, hogy megkönnyítse a kiszáradást. Magyarázza el mind azt, hogy a vákuum felgyorsítja a kiszáradást, mind azt, hogy az élelmiszer miért fagy le.
10. ha a levegő éjszaka sugárzik, szokatlan, hogy a hőmérséklet a harmatpont alá esik. Magyarázd el, miért.
11. egy fizika tantermi bemutatón egy oktató szájon át felfújja a léggömböt, majd folyékony nitrogénben lehűti. Hideg állapotban a zsugorodott ballon kis mennyiségű Világoskék folyadékot tartalmaz, valamint néhány hószerű kristályt. Ahogy felmelegszik, a folyadék felforr, a kristályok egy része szublimálódik, néhány kristály egy ideig megmarad, majd folyadékot termel. Azonosítsa a kék folyadékot és a két szilárd anyagot a hideg léggömbön. Igazolja az azonosításokat az 1. táblázat adatai alapján.

Problémákat & Gyakorlatok

1. Mennyi hőátadás a (kcal) van szükség, hogy olvadás egy 0.450-kg-os csomag fagyasztott zöldségek eredetileg a 0ºC, ha a hő fusion ugyanaz, mint a víz?
2. a 0ºc ice-t tartalmazó zsák sokkal hatékonyabb az energia elnyelésében, mint az azonos mennyiségű 0ºc vizet tartalmazó zsák. a) mennyi hőátadás szükséges a 0,800 kg víz hőmérsékletének 0ºc-ról 30,0 ºC-ra történő emeléséhez? b) mennyi hőátadás szükséges az első olvadáshoz 0.800 kg 0ºc jég, majd emelje fel a hőmérsékletét? (c) magyarázza el, hogy a válasz hogyan támogatja azt az állítást, hogy a jég hatékonyabb.
3. (a) Mennyi hő átadása szükséges emelni a hőmérsékletet egy 0.750-kg alumínium edény tartalmazó 2.50 kg víz 30.0 ° c-on a forráspontú majd forraljuk el 0.750 kg víz? b) mennyi ideig tart ez, ha a hőátadás sebessége 500 W 1 watt = 1 joule/másodperc (1 W = 1 J / s)?
4. a páralecsapódás kialakulása egy pohár jeges vízen a jég gyorsabban olvad, mint egyébként. Ha 8.00 g kondenzáció alakul ki mind a vizet, mind a 200 g jeget tartalmazó üvegen, hány gramm jég olvad el ennek eredményeként? Tegyük fel, hogy nincs más hőátadás.
5. utazás közben észreveszi, hogy egy 3, 50 kg-os jégzsák átlagosan egy napig tart a hűtőben. Mi az átlagos teljesítmény wattban belépve a jégbe, ha 0ºc-on kezdődik, és pontosan egy nap alatt teljesen megolvad 0ºC vízre 1 watt = 1 joule/másodperc (1 W = 1 J/s)?
6. egy bizonyos száraz napsütéses napon az úszómedence hőmérséklete 1, 50 ºC-kal emelkedne, ha nem párologna. A víz melyik frakciójának elpárolognia kell ahhoz, hogy pontosan elegendő energiát szállítson a hőmérséklet állandó fenntartásához?
7. (a) Mennyi hő átadása szükséges emelni a hőmérsékletet egy 0.200-kg darab jég, a -20.0 ° c-on, hogy 130ºC, beleértve a szükséges energiát fázis változások? b) mennyi időre van szükség az egyes szakaszokhoz, feltételezve az állandó 20,0 kJ / s hőátadást? (c) készíts egy grafikont a hőmérséklet versus idő erre a folyamatra.
8. 1986-ban egy óriási jéghegy tört ki az Antarktisz Ross Jégpolcáról. Körülbelül egy téglalap volt 160 km hosszú, 40.0 km széles és 250 m vastag. a) mi a jéghegy tömege, tekintettel arra, hogy a jég sűrűsége 917 kg/m3? b) mennyi hőátadásra van szükség (joule-ban) annak megolvasztásához? c) hány évig tartana egyedül a napfény, hogy ilyen vastag jég olvadjon, ha a jég átlagosan 100 W/m2, 12.00 h / nap elnyeli?
9. hány gramm kávét kell elpárolognia 350 g kávéból egy 100 g-os üvegcsészében, hogy a kávét 95,0 ºC-ról 45,0 ºC-ra hűtse? Feltételezheti, hogy a kávénak ugyanolyan termikus tulajdonságai vannak, mint a víznek, és hogy a párolgás átlagos hője 2340 kJ/kg (560 cal/g). (Figyelmen kívül hagyhatja a kávé tömegének változását, amikor lehűl, ami a helyesnél valamivel nagyobb választ ad.)
10. (a) nehéz eloltani a tüzet egy nyersolaj-tartályhajón, mert minden liter nyersolaj 2, 80 × 107 J energiát bocsát ki Égéskor. Jól illusztrálja ezt a nehézséget, kiszámítani, hogy hány liter víz kell kiürültek, hogy felszívja a felszabaduló energia elégetésével 1.00 L a nyersolaj, ha a víz hőmérséklete emelte 20.0 ° c-on, hogy 100ºC, a kelések, de a keletkező gőz fel, hogy 300ºC. b) beszélje meg az által okozott további szövődményeket, hogy a nyersolaj sűrűsége kisebb, mint a víz.
11. a zivatarokban a kondenzációból felszabaduló energia nagyon nagy lehet. Számítsa ki a légkörbe kibocsátott energiát egy 1 km sugarú kis viharra, feltételezve, hogy 1, 0 cm eső egyenletesen kicsapódik ezen a területen.
12. a fagykárosodás megelőzése érdekében 4, 00 kg 0ºc vizet permeteznek egy gyümölcsfára. a) mennyi hőátadás történik, amikor a víz lefagy? b) mennyivel csökken a 200 kg-os FA hőmérséklete, ha ez a hőmennyiség átkerül a fáról? Vegyük a fajlagos hőt 3,35 kJ/kg · ºC-ra, és feltételezzük, hogy nem következik be fázisváltozás.
13. Egy 0.250-kg alumínium tállal kezében 0.800 kg levest 25.0 ° c-on kerül a fagyasztóba. Mi a végső hőmérséklet, ha 377 kJ energiát viszünk át a tálból és a levesből, feltételezve, hogy a leves hőtulajdonságai megegyeznek a vízéval?
14. Egy 0.0500-kg jégkocka a -30.0 ° c-on kerül 0.400 kg-35.0 ° c-on víz egy nagyon jól szigetelt tartályban. Mi a végső hőmérséklet?
15. ha 0, 0100 kg 20, 0 ºC vizet önt egy 1, 20 kg-os jégtömbre (amely kezdetben -15, 0 ºC), mi a végső hőmérséklet? Feltételezheti, hogy a víz olyan gyorsan lehűl, hogy a környezet hatása elhanyagolható.
16. az őslakosok néha vízzáró kosarakban szakácsolnak, forró sziklákat helyezve a vízbe, hogy felforralják. Milyen tömegű 500ºc-os kőzetet kell elhelyezni 4,00 kg 15,0 ºC-os vízben, hogy hőmérséklete 100ºC-ra emelkedjen, ha 0,0250 kg víz távozik gőzként a kezdeti sistergésből? Lehet, hogy figyelmen kívül hagyja a hatását a környéken, és hogy az átlagos fajlagos hő a sziklák, hogy a gránit.
17. Mi lenne a végső hőmérséklet a serpenyőben, víz Kiszámítása során a Végső Hőmérséklet, Amikor a Hőt Át Két test Között: Szakadó Hideg Víz, Forró Serpenyőben, ha 0.260 kg víz került a serpenyőbe, majd 0.0100 kg a víz elpárolgott azonnal, így a fennmaradó, hogy közös hőmérséklet a serpenyőben?
18. egyes országokban folyékony nitrogént használnak tejelő teherautókon a mechanikus hűtőszekrények helyett. A 3.A 00 órás szállítási út 200 L folyékony nitrogént igényel,amelynek sűrűsége 808 kg / m3. A) kiszámítja az ilyen mennyiségű folyékony nitrogén elpárologtatásához szükséges hőátadást, és 3,00 ºC-ra emeli annak hőmérsékletét. (Használja a cp-t, és vállalja, hogy állandó a hőmérsékleti tartományban.) Ez az érték a folyékony nitrogénkészletek hűtésének mennyisége. b) mi ez a hőátadási Arány kilowattórában? C) hasonlítsa össze a 0ºc-os jég azonos tömegének megolvasztásából nyert hűtési mennyiséget a folyékony nitrogén elpárologtatásával.
19. néhány fegyvergyártó saját golyókat készít, ami magában foglalja az ólomcsigák olvasztását és öntését. Mennyi hőátadás szükséges a hőmérséklet emeléséhez, 0,500 kg ólom megolvasztásához, 25,0 ºC-tól kezdve?

kiválasztott megoldások problémák & gyakorlatok

1. 35, 9 kcal

3. a) 591 kcal; b) 4,94 × 103 s

5. 13,5 W

7. (a) 148 kcal; (b) 0.418 s, 3.34 s, 4.19 s, 22.6 s, 0.456 s

9. 33, 0 g

10. a) 9,67 L; B) A nyersolaj kevésbé sűrű, mint a víz, így a víz tetején lebeg, ezáltal kitéve a levegőben lévő oxigénnek, amelyet éget. Továbbá, ha a víz az olaj alatt van, kevésbé hatékony az olaj által termelt hő elnyelésében.

12. a) 319 kcal; b) 2, 00 ºC

14. 20, 6 ºC

16. 4, 38 kg

18. (a) 1,57 × 104 kcal; (b) 18,3 kW ⋅ h; (c) 1,29 × 104 kcal

1. a normál olvadási és forráspontú hőmérsékleten standard légköri nyomáson (1 atm) megadott értékek. ↵
2. A 37.0 ° c-on (testhőmérséklet), a hő párolgás Lv a víz 2430 kJ/kg, illetve 580 kcal/kg ↵
3. A 37.0 ° c-on (testhőmérséklet), a hő párolgás Lv a víz 2430 kJ/kg, illetve 580 kcal/kg ↵