problem z lodem do pary to klasyczny problem z energią cieplną. Spowoduje to zarys kroków niezbędnych do zakończenia tego problemu i kontynuację przykładowego problemu.

ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury materiału jest proporcjonalna do masy lub ilości materiału i wielkości zmiany temperatury.

równanie najczęściej związane z potrzebnym ciepłem to

Q = mcΔT

gdzie
Q = energia cieplna
m = masa
c = ciepło właściwe
ΔT = zmiana temperatury = (Tfinal – Tinitial)

dobrym sposobem zapamiętania tego wzoru jest Q = „em cat”.

możesz zauważyć, że jeśli temperatura końcowa jest niższa niż temperatura początkowa, ciepło będzie ujemne. Oznacza to, że gdy materiał stygnie, energia jest tracona przez materiał.

to równanie ma zastosowanie tylko wtedy, gdy materiał nigdy nie zmienia fazy wraz ze zmianą temperatury. Dodatkowe ciepło jest wymagane, aby zmienić się z ciała stałego w ciecz i gdy ciecz jest zamieniana w gaz. Te dwie wartości ciepła są znane jako ciepło fuzji (ciało stałe ↔ ciecz) i ciepło parowania (ciecz ↔ gaz). Wzory dla tych ogrzewań to

Q = m · ΔHf
I
Q = m · ΔHv

gdzie
Q = energia cieplna
m = masa
ΔHf = ciepło fuzji
ΔHv = ciepło parowania

całkowite ciepło jest sumą wszystkich poszczególnych etapów zmiany ciepła.

załóżmy to w praktyce z tym problemem ice to steam.

Ice to Steam Problem

pytanie: ile ciepła potrzeba, aby zamienić 200 gramów lodu -25 °C na 150 °C pary?
Przydatne informacje:
ciepło właściwe lodu = 2,06 J/g°C
ciepło właściwe wody = 4,19 J/g°C
ciepło właściwe pary = 2.03 J/g°C
ciepło fuzji wody ΔHf = 334 J/G
Temperatura topnienia wody = 0 °C
ciepło parowania wody ΔHv = 2257 J/G
Temperatura wrzenia wody = 100 °C

rozwiązanie: Podgrzewanie zimnego lodu do gorącej pary wymaga pięciu różnych kroków:

1. ciepło -25 °C lodu do 0 °C lód
2. stopienie 0 °C stałego lodu do 0 °C woda ciekła
3. podgrzać 0 °C woda do 100 °C woda
4. zagotować 100 °C woda ciekła do 100 °C para gazowa
5. podgrzać 100 °C para do 150 °C para

Krok 1: podgrzać -25 °C lód do 0 °C lód.

równanie, którego należy użyć w tym kroku, to „EM cat”

Q1 = mcΔT

gdzie
m = 200 gramów
c = 2,06 J/g°C
Tinitial = -25 °C
Tfinal = 0 °C

ΔT = (tfinal – tinitial)
δt = (0 °C – (-25 °C))
δt = 25 °c

Q1 = mcδt
Q1 = (200 g) · (2,06 J/G°C) · (25 °C)
Q1 = 10300 J

Krok 2: stopić 0 °C stały Lód w 0 °C płynną wodę.

równaniem stosowanym jest ciepło termojądrowe równania:

Q2 = m · ΔHf
Gdzie
m = 200 gramów
ΔHf = 334 J/g
Q2 = m · ΔHf
Q2 = 200 · 334 J/G
Q2 = 66800 J

Krok 3: podgrzać 0 °C wody do 100 °C wody.

znowu trzeba użyć „em cat”.

Q3 = mcΔT

gdzie
m = 200 gramów
C = 4,19 J/g°C
Tinitial = 0 °C
Tfinal = 100 °c

ΔT = (Tfinal – Tinitial)
ΔT = (100 °C – 0 °C)
ΔT = 100 °c

Q3 = mcΔT
Q3 = (200 g) · (4,19 J/G°C) · (100 °C)
Q3 = 83800 J

Krok 4: zagotować płynną wodę w temperaturze 100 °C do pary gazowej w temperaturze 100 °C.

tym razem należy użyć równania ciepła parowania:

Q4 = m · ΔHv

Gdzie
m = 200 gramów
ΔHv = 2257 J/g

Q4 = m · ΔHf
Q4 = 200 · 2257 J/G
Q4 = 451400 J

Krok 5: podgrzać parę o temperaturze 100 °C do pary o temperaturze 150 °C

Po raz kolejny należy użyć formuły „em Cat”.

Q5 = mcΔT

gdzie
m = 200 gramów
c = 2,03 J/g°C
Tinitial = 100 °C
Tfinal = 150 °c

ΔT = (Tfinal – Tinitial)
ΔT = (150 °C – 100 °C)
ΔT = 50 °c

Q5 = mcδt
Q5 = (200 g) · (2.03 J/g°C) · (50 °C)
Q5 = 20300 J

Znajdź całkowite ciepło

aby znaleźć całkowite ciepło tego procesu, dodaj wszystkie poszczególne części razem.

Qtotal = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5
Qtotal = 10300 J + 66800 J + 83800 J + 4514400 J + 20300 J
Qtotal = 632600 J = 632.6 kJ

odpowiedź: ciepło potrzebne do przekształcenia 200 gramów lodu -25 °C w 150 °C pary wynosi 632600 dżuli lub 632,6 kilodżuli.

głównym punktem do zapamiętania przy tego typu problemie jest użycie „em cat” dla części, w których nie zachodzi zmiana fazy. Użyj równania ciepła fuzji podczas zmiany z ciała stałego na ciecz (ciecz łączy się w ciało stałe). Wykorzystaj ciepło parowania podczas zmiany z cieczy na gaz (ciecz odparowuje).

Kolejną kwestią, o której należy pamiętać, jest to, że energia cieplna jest ujemna podczas chłodzenia. Ogrzewanie materiału oznacza dodawanie energii do materiału. Chłodzenie materiału oznacza, że materiał traci energię. Uważaj na znaki.

przykładowe problemy z ciepłem i energią

Jeśli potrzebujesz więcej przykładowych problemów, takich jak ten, sprawdź nasze inne przykładowe problemy z ciepłem i energią.

problem przykładowy ciepła właściwego
problem przykładowy ciepła fuzji
problem przykładowy ciepła parowania
inne problemy Przykładowe z fizyką
Fizyka Ogólna problemy przykładowe