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

Введение

Изучая тепловые явления и переходы веществ из одного агрегатного состояния в другое, мы узнаём, как энергия передаётся, преобразуется и сохраняется. Эти процессы лежат в основе множества явлений, которые окружают нас каждый день — от кипения воды в чайнике до образования облаков в атмосфере.

Понимание законов, описывающих изменение агрегатных состояний вещества, важно не только для решения задач в учебнике, но и для объяснения реальных физических процессов. Например, почему лёд плавает в воде, почему зимой окна покрываются инеем, как работает холодильник или почему при кипячении вода не может нагреться выше 100 °C при нормальном давлении.

В 8 классе учащиеся уже знакомы с основными понятиями — теплотой, удельной теплоёмкостью, теплотой плавления и парообразования, а также уравнением теплового баланса. Однако для более глубокого понимания важно научиться решать сложные комбинированные задачи, в которых участвуют несколько процессов: нагревание, плавление, кипение, охлаждение и конденсация.

Рассмотрим повторение основных формул, а затем разберём три типовых задачи, в которых применяются знания о тепловых процессах и законах сохранения энергии.

Повторение теории темы «Тепловые явления и агрегатные состояния вещества»

1. Основные формулы:

• Количество теплоты, полученное или отданное при нагревании (охлаждении):

  
  

  где
  $c$ — удельная теплоёмкость вещества,
  $m$ — масса,
  ​ — начальная и конечная температуры.

• Количество теплоты, необходимое для плавления:

  
  

  где  — удельная теплота плавления.

• Количество теплоты при парообразовании:

  
  

  где  — удельная теплота парообразования.

• Уравнение теплового баланса:

  ​

Задача 1. Исследование графика тепловых процессов

Условие:
На графике зависимости температуры от количества подведённого тепла показан процесс нагревания и плавления льда массой 0,5 кг, взятого при температуре –20 °C. Определите количество теплоты, необходимое для превращения всего льда в воду при температуре 0 °C.

Дано:

• $m=0,5кг$

• t1​=−20°C, t2​=0°C

• cльда​=2100Дж/(кг⋅°C)

• λ=3,4⋅105Дж/кг

Решение:

1. Найдём тепло, необходимое для нагревания льда до 0 °C:

   
   

2. Тепло, необходимое для плавления льда при 0 °C:

   
   

3. Общее количество теплоты:

   
   

Ответ:
Для полного плавления льда потребуется 191 000 Дж теплоты.

Задача 2. Уравнение теплового баланса

Условие:
В калориметре находится 0,3 кг воды при температуре 20 °C. В неё опускают кусок льда массой 0,05 кг при температуре –10 °C. Какова установившаяся температура воды, если теплопотери отсутствуют?

Дано:

• , ,
  

• , ,
  

Решение:

1. Лёд получает тепло для нагрева до 0 °C:

   
   

2. Лёд плавится:

   
   

3. Тепло, отданное водой при охлаждении до температуры $t$:

   
   

4. Тепло, полученное льдом и водой, образовавшейся из него:

   
   

5. По закону теплового баланса:

   ​

   Подставим и решим относительно $t$:

   
   
   
   
   

Ответ:
Температура воды после установления теплового равновесия ≈ 5 °C.

Задача 3. КПД теплового прибора

Условие:
Электрический чайник потребляет мощность 2 кВт. За 5 минут он нагревает 1 литр воды от 20 °C до кипения. Определите КПД чайника.

Дано:

• , , , , ,
  

Решение:

1. Количество теплоты, необходимое для нагрева воды:

   
   

2. Энергия, затраченная электричеством:

   
   

3. КПД:

   
   

Ответ:
КПД электрического чайника ≈ 56 %.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют тепловыми явлениями?

2. Какие формулы используются для вычисления количества теплоты при нагревании и при плавлении?

3. Почему температура вещества не изменяется во время плавления или кипения?

4. Что выражает уравнение теплового баланса?

5. От чего зависит КПД теплового прибора?

6. Почему невозможно достичь КПД = 100 %?