물리학

학습 목표

이 섹션에서,당신은 당신을 할 수 있습니다:

• 검사 열전달.
• 열 전달에서 최종 온도를 계산합니다.

그림 1. 공기에서 나오는 열은 얼음으로 옮겨져 녹아 내립니다. (신용:브랜드 마이크)

그림 2 로 표시됩니다. (a)에너지는 액체를 형성하기 위해 고체 내의 분자 사이의 매력적인 힘을 부분적으로 극복하는 데 필요합니다. 그 같은 에너지는 동결이 일어나기 위해 제거되어야합니다. (b)분자는 액체에서 증기로 갈 때 먼 거리로 분리되어 분자 매력을 극복하기 위해 상당한 에너지가 필요합니다. 응축이 일어나기 위해서는 동일한 에너지를 제거해야합니다. 위상 변화가 완료 될 때까지 온도 변화가 없습니다.

그림 3. 온도 대 에너지의 그래프가 추가되었습니다. 시스템에 구성되지 않도록 수증기 증발하면서 얼음을 따뜻하게 되 액체 물,그리고 그 때 증발이 발생하는 수증기에 남아 있습니다. 0ºC 와 100ºC 에서 일정한 온도 값의 긴 뻗기는 각각 용융 및 기화의 큰 잠열을 반영합니다.

실시예 1. 계산 최종 온도에서 단계 변화:냉각 소다 얼음 조각

세 가지 아이스 큐브 사용하여 진정에서 음 20ºC 질량 msoda=0.25kg. 얼음은 0ºC 고 각각의 아이스 큐브의 질량을 가지고 있 6.0g. 정 소다가 유지에서 거품도록 컨테이너 열 손실을 무시할 수 있습니다. 소다가 물처럼 열용량이 같다고 가정합니다. 모든 얼음이 녹을 때 최종 온도를 찾으십시오.

전략

얼음 조각은 0ºc 의 녹는 온도에 있습니다. 열은 녹기 위해 소다에서 얼음으로 옮겨집니다. 녹는 얼음 발생합니다 두 가지 단계:최초의 단계 변화가 발생합 및 솔리드(아이스)는 액체로 물에서 녹는 온도,다음의 온도 이 물은 상승한다. 융해 수익률은 물에 0ºC,그래서 더 많은 열이에서 전송되는 소다 이 물을 때까지 물 플러스 소다 시스템에 도달하면 열평형,Qice=−Qsoda.

얼음으로 전달 된 열은

Qice=마우스 Lf+micecW(Tf−0ºC)입니다.

소다에 의해 주어진 열은 Qsoda=msodacW(Tf-20ºC)입니다. 열이 손실되지 않기 때문에 Qice=−Qsoda,그래서

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

왼쪽의 Tf 와 오른쪽의 다른 모든 용어와 관련된 모든 용어를 가져옵니다. 알 수없는 수량 Tf 에 대한 해결:

\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}}}\\

솔루션

1. 식별을 알 수 있습니다. 얼음 질량은 마우스=3×6.0g=0.018kg 이고 소다의 질량은 msoda=0.25kg 입니다.
2. 계산 측면에서 분자:m sodacW(20ºC)=(0.25kg)(4186J/kg⋅ºC)(20ºC)=20,930J 및 miceLf=(0.018kg)(334,000J/kg)=6012J.
3. 산 분모:(msoda+쥐)cW=(0.25kg+0 입니다.018kg)(4186K/(kg ºC ºC)=1122J/ºC.
4. 계산 최종 온도:\displaystyle{T}_{\text{f}}=\frac{20,930\text{J}-6012\text{J}}{1122\text{J/}^{\circ}\text{C}}=13^{\circ}\text{C}\\

토론

이 예제는 엄청난 에너지를하는 동안 관련된 위상을 변경합니다. 얼음의 질량은 물 질량의 약 7%이지만 소다의 온도에 눈에 띄는 변화를 가져옵니다. 우리는 얼음이 얼어 붙은 온도에 있다고 가정했지만,이것은 잘못된 것입니다:전형적인 온도는-6ºC 입니다. 그러나이 보정은 우리가 발견 한 결과와 본질적으로 동일한 최종 온도를 제공합니다. 이유를 설명해 주시겠습니까?

그림 4. 아이스 티 한 잔에 응축. (credit:Jenny Downing)

실제 응용

액체가 얼면 에너지도 방출됩니다. 이 현상은 온도가 어는점(0ºC)에 가까울 때 오렌지를 보호하기 위해 플로리다의 과일 재배자가 사용합니다. 재배자는 과수원의 식물에 물을 뿌려 물기가 얼어 붙어 열이 물 위에서 자라는 오렌지에게 방출되도록합니다. 이렇게하면 오렌지 내부의 온도가 결빙 아래로 떨어지지 않아 과일이 손상됩니다.

그림 14.11. 에 얼음 이러한 나무 발표 많은 양의 에너지 때 얼어붙지 못하도록 방지하의 온도는 나무에서 떨어지는 0ºC. 딱딱한 서리를 막기 위해 과수원에 물 을 의도적으로 뿌립니다. (신용:Hermann Hammer)

그림 5. 고체와 증기 사이의 직접적인 전환은 일반적이며 때로는 유용하고 심지어 아름답습니다. (a)드라이아이스는 이산화탄소 가스로 직접 승화시킨다. 눈에 보이는 증기는 물 방울로 만들어집니다. (credit:Windell Oskay)(b)Frost 는 매우 차가운 창문에 패턴을 형성하며,증기로부터 직접 형성된 고체의 예입니다. (credit:Liz West)

의 이해를 확인하

왜 눈에 남아 있는 산 중턱을 때에도 주간 온도보다 더 높은 냉동 온도?

용액

눈은 얼음 결정으로부터 형성되며 따라서 물 고체 상이다. 상 변화에 막대한 열이 필요하기 때문에 공기가 0ºC 이상이더라도이 열이 공기에서 축적되기까지는 일정 시간이 걸립니다. 공기가 따뜻할수록이 열 교환이 더 빨리 일어나고 눈이 더 빨리 녹습니다.

개념적 질문

1. 열전달은 온도와 위상 변화를 일으킬 수 있습니다. 그 밖의 무엇이 이러한 변화를 일으킬 수 있습니까?
2. 어떻게 잠열의 융합의 물을 감소는 공기의 온도,아마을 방지하는 온도에서 떨어지는 크게 ºC,근처에서 큰체의 물?
3. 얼어 붙은 물에 의해 형성된 직후의 얼음의 온도는 얼어 붙는 물입니까?
4. 당신이 격리된 콘테이너에 있는 ºC 물으로 ºC 얼음을 두는 경우에,무슨 일이 일어날 것입니까? 어떤 얼음이 녹을 것인가,더 많은 물들이 얼어 붙을 것인가,아니면 둘 다 일어나지 않을 것인가?
5. 얼음 물 한 잔에 응축이 얼음이 녹는 속도에 어떤 영향을 줍니까? 응축이 용융 과정을 가속화하거나 속도를 늦출 것입니까?
6. 플로리다에서와 같이 수많은 물체가 존재하는 매우 습한 기후에서는 온도가 약 35ºC(95ºF)이상으로 상승하는 것이 특이합니다. 그러나 사막에서는 기온이 이것보다 훨씬 높아질 수 있습니다. 물 증발이 습한 기후에서 고온을 제한하는 데 어떻게 도움이되는지 설명하십시오.
7. 겨울에는 내륙 150km 근처의 새크라멘토보다 샌프란시스코에서 종종 더 따뜻합니다. 여름에는 새크라멘토에서 거의 항상 더 뜨겁습니다. 샌프란시스코를 둘러싼 물 시체가 극한의 온도를 어떻게 조절하는지 설명하십시오.
8. 끓는 냄비에 뚜껑을 넣으면 끓는 상태를 유지하는 데 필요한 열 전달이 크게 줄어 듭니다. 이유를 설명하십시오.
9. 동결 건조 식품은 진공 상태에서 탈수되었다. 이 과정에서 음식은 얼고 탈수를 촉진하기 위해 가열해야합니다. 진공이 탈수 속도를 높이는 방법과 그 결과로 음식이 얼어 붙는 이유를 모두 설명하십시오.
10. 야간에 방사하여 여전히 공기가 냉각되면 온도가 이슬점 아래로 떨어지는 것은 드문 일입니다. 이유를 설명하십시오.
11. 물리학 교실 데모에서 강사는 풍선을 입으로 팽창시킨 다음 액체 질소로 냉각시킵니다. 추울 때,수축 된 풍선은 그 안에 소량의 밝은 파란색 액체뿐만 아니라 일부 눈 같은 결정을 가지고 있습니다. 그것이 따뜻해지면 액체가 끓고 결정의 일부가 승화되어 일부 결정이 잠시 동안 남아 액체를 생성합니다. 차가운 풍선에서 파란색 액체와 두 개의 고체를 식별하십시오. 표 1 의 데이터를 사용하여 신원을 정당화하십시오.

문제를&연습

1. 얼마나 많은 열전달(에서의 칼로리를 소모)이 필요하 녹 0.450-kg 패키지의 냉동 야채에서 원래 0ºC 는 경우 그들의 열의 융합 같은 것의 물?
2. 0ºC 얼음이 들어있는 가방은 같은 양의 0ºC 물을 함유 한 물보다 에너지를 흡수하는 데 훨씬 효과적입니다. (a)0.800KG 의 물 온도를 0ºC 에서 30.0ºC 로 올리려면 얼마나 많은 열전달이 필요합니까? (b)먼저 녹이기 위해 얼마나 많은 열전달이 필요한지 0.800kg 의 0ºc 얼음을 넣은 다음 온도를 올리시겠습니까? (c)당신의 대답이 얼음이 더 효과적이라는 경합을 어떻게지지하는지 설명하십시오.
3. (a)얼마나 많은 열 전송이 필요하의 온도를 높이는 0.750-kg 알루미늄을 함유 냄비 2.50kg 의 물 30.0ºC 을 끓는점과 끓인 다음 멀리 0.750kg 의 물? (b)열전달율이 500W1watt=1joule/second(1W=1J/s)인 경우 얼마나 걸립니까?
4. 얼음 물 한 잔에 응축이 형성되면 얼음이 그렇지 않은 것보다 빨리 녹습니다. 8 인 경우.물 200g 을 모두 함유 한 유리에 00g 의 응축이 형성되며,그 결과 얼음이 몇 그램 녹을 것입니까? 다른 열전달이 발생하지 않는다고 가정합니다.
5. 여행에서 3.50kg 의 얼음 봉지가 쿨러에서 평균 하루 동안 지속된다는 것을 알 수 있습니다. 은 무엇인 평균 전원 포트에 들어가는 얼음 시작하면서 0ºC 및 완전히 녹을 0ºC 물에서 정확히 어느 날 1watt=1joule/second(1W=1J/s)?
6. 특정 건조한 화창한 날에,수영장의 온도는 증발을 위해 만약에 아닙니다 1.50ºC 에 의하여 상승할 것입니다. 온도를 일정하게 유지하기에 충분한 에너지를 정확하게 운반하기 위해 물 중 어떤 부분이 증발해야합니까?
7. (a)얼마나 많은 열 전달시키는 데 필요한 온도의 0.200-kg 얼음조각에서 -20.0ºC 을 130ºC 포함하여 필요한 에너지 위상 변화는? (b)일정한 20.0kJ/s 의 열전달 속도를 가정 할 때 각 단계에 얼마나 많은 시간이 필요합니까? (c)이 프로세스에 대한 온도 대 시간의 그래프를 만듭니다.
8. 1986 년 거대한 빙산이 남극 대륙의 로스 빙붕에서 벗어났습니다. 그것은 대략 160km 길이의 40 직사각형이었습니다.폭이 0km 이고 두께가 250m 입니다. (a)얼음의 밀도가 917kg/m3 임을 감안할 때이 빙산의 질량은 얼마입니까? (b)그것을 녹이기 위해 얼마나 많은 열 전달(줄에서)이 필요합니까? (c)얼음이 하루에 평균 100W/m2,12.00h 를 흡수한다면 얼음이 두꺼운 얼음을 녹이기 위해 혼자 햇빛을 몇 년이 걸릴까요?
9. 커피를 95.0ºC 에서 45.0ºC 로 식히기 위해 100-g 유리 컵에 350g 의 커피에서 몇 그램의 커피가 증발해야합니까? 커피가 물 과 동일한 열 특성을 가지고 있으며 기화의 평균 열이 2340kJ/kg(560cal/g)이라고 가정 할 수 있습니다. (커피가 냉각되면서 질량의 변화를 소홀히 할 수 있으며,이는 올바른 것보다 약간 큰 답을 줄 것입니다.)
10. (a)그것을 어렵게 소화에 있는 원유 유조선,기 때문에 각각 리터의 원유 릴리스 2.80×107J 에너지의 경우 타. 이것을 설명하기 위해 어려움의 수를 계산 리터의 물해야 하는 소비하는 에너지를 흡수에 의해 발표 burning1.00L 원유의 경우,물은 온도에서 발생 20.0ºC 을 100ºC,비등하면,그 결과 증기가 발생하 300ºC. (b)원유가 물보다 밀도가 작다는 사실로 인한 추가 합병증에 대해 논의한다.
11. 뇌우에서 응축에서 방출되는 에너지는 매우 클 수 있습니다. 반경 1km 의 작은 폭풍에 대해 대기로 방출되는 에너지를 계산하여 1.0cm 의 비가이 지역에 균일하게 침전된다고 가정합니다.
12. 서리 손상을 방지하기 위해 4.00KG 의 0ºc 물 을 과일 나무에 뿌립니다. (a)물 얼기로 얼마나 많은 열 전달이 발생합니까? (b)이 양의 열이 나무에서 전달되면 200kg 나무의 온도가 얼마나 감소할까요? 비열을 3.35kJ/kg*ºC 로 가져 가면 위상 변화가 일어나지 않는다고 가정합니다.
13. 25.0ºC 에서 0.800kg 의 수프를 담고있는 0.250-kg 알루미늄 그릇을 냉동실에 넣습니다. 377kJ 의 에너지가 그릇과 수프에서 옮겨지면 수프의 열 특성이 물 속성과 동일하다고 가정하면 최종 온도는 얼마입니까?
14. -30.0ºC 에 0.0500kg 아이스 큐브는 아주 잘 격리된 콘테이너에 있는 35.0ºC 물 0.400kg 에서 둡니다. 최종 온도는 얼마입니까?
15. 0.0100KG 의 20.0ºC 물 을 1.20-KG 얼음 블록(처음에는 -15.0ºC)에 부으면 최종 온도는 얼마입니까? 당신은 물 주변 환경의 영향이 무시할 정도로 빠르게 냉각 가정 할 수있다.
16. 원주민들은 때때로 뜨거운 바위를 물에 넣어서 물기가있는 바구니에서 요리하여 끓입니다. 물 0.0250kg 초기 지글 지글에서에서 증기로 탈출 하는 경우 500ºc 바위의 어떤 질량은 100ºc 에 그것의 온도를가지고 15.0ºC 물 4.00kg 에 배치 해야? 당신은 주변 환경의 영향을 소홀히하고 암석의 평균 비열을 화강암의 것으로 가져갈 수 있습니다.
17. 것이 무엇 최종 온도의 팬과 물에서 계산 최종을 때 온도를 열 전송 사이의 두 물체:쏟아지는 차가운 물에 뜨거운 팬는 경우 0.260kg 의 물에 배치 된 팬 0.0100kg 의 물은 증발 바로를 떠나 나머지 부분을 일반적인 온도와 팬?
18. 일부 국가에서는 액체 질소가 기계식 냉장고 대신 유제품 트럭에 사용됩니다. 에이 3.00 시간 배달 여행에는 200l 의 액체 질소가 필요하며 밀도는 808kg/m3 입니다. (a)이 양의 액체 질소를 증발시키고 온도를 3.00ºC 로 올리는 데 필요한 열 전달을 계산하십시오. (Cp 를 사용하고 온도 범위에서 일정하다고 가정합니다.)이 값은 액체 질소가 공급하는 냉각량입니다. (b)킬로와트-시간 단위의이 열 전달 속도는 얼마입니까? (c)액체 질소를 증발시키는 것과 동일한 질량의 0ºc 얼음을 녹여서 얻은 냉각량을 비교하십시오.
19. 일부 총기 애호가는 납 슬러그를 녹여 주조하는 것과 관련된 자체 총알을 만듭니다. 온도를 높이고 25.0ºC 부터 시작하여 0.500kg 의 납을 녹이기 위해 얼마나 많은 열전달이 필요합니까?

선택한 문제에 대한 솔루션을&연습

1. 35.9kcal

3. (a)591kcal;(b)4.94×103s

5. 13.5 와트7. (a)148kcal;(b)0.418s,3.34s,4.19s,22.6s,0.456s

9. 33.0g

10. (a)9.67L;(b)원유는 밀도가 낮보다는 물,그래서 그것의 맨 위에 물으므로 노출에 있는 산소 공기를 사용하는 구울 수 있습니다. 또한,물 오일 아래에 있는 경우,그것은 덜 효율적입니다 오일에 의해 생성 된 열을 흡수.12. (a)319 킬로 칼로리; (b)2.00ºC

14. 20.6ºC

16. 4.38 키로그램

18. (a)1.57×104kcal;(b)18.3kW⋅h;(c)1.29×104kcal

1. 값을 인용하에서 정상적인 용융과 끓는 온도에서 표준 대기압(1atm). 삽입
2. 에 37.0ºC(몸의 온도),증발열 Lv 에 대한 물은 2430kJ/kg 또는 580kcal/kg 삽입
3. 에 37.0ºC(몸의 온도),증발열 Lv 에 대한 물은 2430kJ/kg 또는 580kcal/kg 삽입