Решение задач по теме "Агрегатные состояния вещества. Переходы из одного агрегатного состояния в другое"

Введение

В окружающем нас мире вещества могут находиться в разных агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном. При изменении условий (температуры или давления) вещество может переходить из одного состояния в другое: лёд плавится, вода закипает и превращается в пар, а затем снова конденсируется в капли. Все эти процессы связаны с тепловыми явлениями и изменением внутренней энергии вещества.

Знание законов, описывающих эти переходы, помогает объяснить многие природные явления и технологические процессы — от образования облаков до работы холодильников и паровых котлов. Для описания количественных сторон этих явлений физика использует такие понятия, как удельная теплота плавления, парообразования, кристаллизации и конденсации, а также количество теплоты, необходимое или выделяющееся при переходах между состояниями.

Чтобы научиться применять эти знания на практике, важно уметь решать задачи, связанные с нагреванием, плавлением, кипением и другими тепловыми процессами.

Повторение основных формул

Перед решением задач напомним основные формулы, используемые для расчётов:

1. Количество теплоты при нагревании (или охлаждении):

   
   

   где
    — количество теплоты (Дж),
    — удельная теплоёмкость (Дж/(кг·°C)),
    — масса (кг),
   ​ — начальная и конечная температуры (°C).

2. Количество теплоты при плавлении (или кристаллизации):

   
   

   где
    — удельная теплота плавления (Дж/кг).

3. Количество теплоты при парообразовании (или конденсации):

   
   

   где
    — удельная теплота парообразования (Дж/кг).

Задача 1. Расчёт количества теплоты при нагревании и плавлении вещества

Условие:
Кусок льда массой 0,5 кг при температуре –10 °C нагревают до температуры плавления, а затем полностью расплавляют. Определите количество теплоты, необходимое для этого процесса.
Дано:

• $m=0,5\text{ кг}$

• cльда​=2100 Дж/(кг °C)

• λльда​=334,000 Дж/кг

• t1​=−10°C, t2​=0°C

Решение:

1. Сначала найдём количество теплоты, необходимое для нагревания льда до 0 °C:

   
   
   

2. Затем определим количество теплоты, необходимое для плавления льда при 0 °C:

   
   

3. Общее количество теплоты:

   
   

Ответ:
Для нагревания и плавления 0,5 кг льда требуется 177,5 кДж теплоты.

Задача 2. Определение вещества по тепловым характеристикам

Условие:
Кусок неизвестного твёрдого вещества массой 0,2 кг нагревается от 20 °C до температуры плавления 327 °C. На нагревание и плавление вещества затрачено 54 000 Дж. Удельная теплота плавления вещества равна . Определите удельную теплоёмкость вещества и определите, что это за вещество, если известно, что среди возможных веществ — олово, свинец или алюминий.

Решение:

1. Найдём количество теплоты, идущее на нагревание:

   ​

   где

   
   

   Тогда

   
   

2. Из формулы нагревания найдём удельную теплоёмкость:

   
   
   

3. Сравним значение с табличными:

   • олово — 230 Дж/(кг·°C)

   • свинец — 130 Дж/(кг·°C)

   • алюминий — 900 Дж/(кг·°C)

Вывод:
Поскольку полученное значение близко к 900 Дж/(кг·°C), исследуемое вещество — алюминий.

Вывод

При переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое происходит изменение внутренней энергии. Количество теплоты, необходимое для таких переходов, можно рассчитать по известным формулам, используя табличные данные о теплоёмкости, удельной теплоте плавления и удельной теплоте парообразования. Умение решать подобные задачи помогает лучше понимать физические процессы, происходящие в природе и технике.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют агрегатными состояниями вещества?

2. Чем отличается плавление от кипения?

3. Какая формула используется для расчёта количества теплоты при нагревании?

4. Что показывает удельная теплота плавления?

5. Почему при плавлении и кристаллизации температура вещества не изменяется?

6. Как изменяется внутренняя энергия тела при конденсации пара?

7. Приведите примеры перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое в природе.