Jak definiujemy ciepło przemiany fazowej?, Ćwiczenia z Termodynamika

Pobierz Jak definiujemy ciepło przemiany fazowej? i więcej Ćwiczenia w PDF z Termodynamika tylko na Docsity! Jak definiujemy ciepło przemiany fazowej? Wprowadzenie Przeczytaj Film samouczek Sprawdź się Dla nauczyciela Czy to nie ciekawe? Zmiany stanu skupienia są przemianami fazowymi. Wiąże się z nimi pobieranie albo oddawanie ciepła. Często nie wystarczy wiedzieć, że ciepło zostało w jakiejś przemianie fazowej pobrane czy oddane, ale ważna jest ilość tego ciepła. Do obliczenia ciepła potrzebnego do zajścia przemiany używamy wielkości zwanej ciepłem przemiany fazowej. Jak tę wielkość definiujemy, dowiesz się z tego e‐materiału. Jak definiujemy ciepło przemiany fazowej? Skraplanie – proces odwrotny do parowania - polega na zamianie pary w ciecz. Ciepło jest wtedy oddawane w takiej samej ilości, w jakiej było pobrane przy parowaniu. Więcej informacji o cieple parowania znajdziesz w e‐materiale Ciepło parowania. Przykładowe wartości ciepła topnienia kilku substancji przedstawiono w Tabeli 1.: Tabela 1. Ciepło topnienia różnych substancji Substancja Ciepło topnienia Miedź 207 Ołów 23 Srebro 105 Woda (lód) 333 Obliczmy dla przykładu, ile ciepła potrzeba do stopienia 3 kg lodu, a ile do stopienia 3 kg ołowiu w temperaturze topnienia. Bezpośrednio z definicji ciepła topnienia dostajemy ilość ciepła potrzebną do stopienia danej masy substancji (w temperaturze topnienia, tj. nie uwzględniamy ogrzewania), Do stopienia 3 kg wody potrzeba więc . Do stopienia 3 kg ołowiu potrzeba . Widzimy, że ciepło topnienia wody ma szczególnie dużą wartość. To dlatego wiosną, mimo temperatur powyżej 0 C, śnieg jeszcze długo leży. Rys. 1. Góra lodowa Źródło: dostępny w internecie: hps://www.istockphoto.com/pl/zdj%C4%99cie/g%C3%B3ra-lodowa-unosz%C4%85ca- si%C4%99-na-morzu-arktycznym-gm693474546-128066809?phrase=iceberg [dostęp 6.07.2022 r.], iStockphoto, tylko do użytku edukacyjnego na zpe.gov.pl. A jaka ilość ciepła wydzieli się podczas krzepnięcia 2 kg miedzi? Zastosujemy ten sam wzór , ponieważ miedź odda tyle samo ciepła, ile pobrała podczas topnienia. Miedź o masie 2 kg podczas krzepnięcia odda do otoczenia ciepło . Wyobraźmy sobie, że zimą w ognisku rozgrzano do czerwoności miedziany pręt o masie m = 1 kg, a następnie wrzucono go w głęboki śnieg o temperaturze . Obliczmy początkową temperaturę pręta, jeśli stopiło się 0,7 kg śniegu. Pręt oddaje ciepło podczas [ kJ kg ] Q = mc t . Q = 3 kg ⋅ 333000 J kg = 999000 J = 999 kJ Q = 3 kg ⋅ 23000 J kg = 69000 J = 69 kJ o Q = mc t Q = 2 kg ⋅ 207000 J kg = 414000 J = 414 kJ 0°C ochładzania się do temperatury . Ciepło oddawane przez pręt pobiera śnieg i topi się, ponieważ jest w temperaturze topnienia. Aby zapisać wzór na ciepło oddane przez pręt, potrzebne jest ciepło właściwe miedzi. Wynosi ono , ciepło topnienia lodu to . Ciepło oddane przez pręt wynosi zaś ciepło pobrane przez wodę podczas procesu topnienia to Po przyrównaniu ciepła oddanego i pobranego otrzymujemy Z powyższego równania wyznaczamy zmianę temperatury pręta, ΔT: . Ale końcowa temperatura pręta to temperatura topnienia śniegu, czyli ok. 273 K, więc temperatura początkowa pręta wynosi Słowniczek ciepło (ang. heat) - termin ten ma dwa znaczenia: 1. Ciepło to forma przekazywania energii pomiędzy ciałami, związana z różnicą ich temperatur. Energia jest samoistnie przekazywana od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. 2. Ciepło - tradycyjnie - to nazwa dla formy energii (czasami zwanej też energią termiczną). Ciepło jest rozumiane wtedy jako składowa energii wewnętrznej układu. Jest to określenie nieprecyzyjne. Należy każdorazowo wywnioskować z kontekstu, o które z tych dwóch znaczeń chodzi. ciepło właściwe (ang. specific heat) - ciepło potrzebne do ogrzania 1 kg substancji o 1 K. Z danych doświadczalnych możemy wyznaczyć je z pomocą wzoru , gdzie ciepło 0°C 385 J kg⋅K 333000 J kg Q = m Cu c Cu ΔT , Q = m H 2 O c H 2 O . m Cu c Cu ΔT = m H 2 O c H 2 O . ΔT = m H 2 O c H 2 O m Cu c Cu = 0,7 kg⋅333000 J kg 1 kg⋅385 J kg⋅K = 605 K T początkowa = 605 K + 273 K = 878 K lub 605°C c w = Q m⋅ΔT Q pobrane przez ciało o masie skutkiem czego temperatura zmienia się o  . temperatura w skali Kelvina (skali bezwzględnej) (ang. absolute temperature) - miara średniej energii kinetycznej cząsteczek. Wartość temperatury w skali Kelvina obliczamy dodając do wartości temperatury w skali Celsjusza temperaturę topnienia wody, tj. ok. 273.15 K. m ΔT T Ćwiczenie 4 Kawałek ołowiu o masie = 60 g roztopił się po dostarczeniu w temperaturze topnienia ciepła = 1380 J. Oblicz ciepło topnienia ołowiu. m Q Ćwiczenie 5 W szklance znajduje się woda o masie = 0,2 kg i temperaturze . W celu jej schłodzenia dodano do niej kostki lodu o temperaturze . Oblicz, jaka powinna być masa lodu, aby temperatura wody obniżyła się do wartości . Zakładamy, że wymianę ciepła szklanki z otoczeniem można pominąć. Ciepło topnienia wody , ciepło właściwe wody . m 25°C 0°C 10°C c t = 333 kJ kg c w = 4200 J kg⋅K Ćwiczenie 6 Do śniegu o temperaturze wrzucono żelazną sztabę o masie = 2,6 kg rozgrzaną do temperatury . Oblicz masę wody, która powstała z roztopionego śniegu. Zakładamy, że śniegu było tak dużo, że nie cały się stopił i praktycznie nie odparowywała powstająca woda. Ciepło właściwe żelaza wynosi , a ciepło topnienia lodu . 0°C m t = 2500 °C c w = 444 J kg⋅K c t = 333 kJ kg 輸 醙 醙 Ćwiczenie 7 Do lodu o masie = 1,5 kg i temperaturze – dostarczono ciepło = 300 kJ. Oblicz, ile wody powstało na skutek stopienia lodu i jaka była jej temperatura końcowa. Ciepło topnienia lodu , ciepło właściwe lodu . m 5°C Q c t = 333 kJ kg c w = 2100 J kg⋅K Ćwiczenie 8 Do wody o temperaturze o masie = 1,2 kg wrzucono kawałek lodu o masie = 0,5 kg o temperaturze . Oblicz, jaka była temperatura końcowa i jaka była końcowa masa lodu. Ciepło topnienia lodu , ciepło właściwe lodu . 0°C m 1 m 2 −26°C c t = 333 kJ kg c w = 2100 J kg⋅K 難 難 Dla nauczyciela Imię i nazwisko autora: Krystyna Wosińska Przedmiot: Fizyka Temat zajęć: Jak definiujemy ciepło przemiany fazowej? Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony Podstawa programowa Cele kształcenia – wymagania ogólne I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości. II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych. Zakres podstawowy Treści nauczania – wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń: 2) posługuje się materiałami pomocniczymi, w tym tablicami fizycznymi i chemicznymi oraz kartą wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych; 4) przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem. V. Termodynamika. Uczeń: 4) wykorzystuje pojęcie ciepła właściwego oraz ciepła przemiany fazowej w analizie bilansu cieplnego. Zakres rozszerzony Treści nauczania – wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń: 2) posługuje się materiałami pomocniczymi, w tym tablicami fizycznymi i chemicznymi oraz kartą wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych; 4) przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem. VI. Termodynamika. Uczeń: 5) wykorzystuje pojęcie ciepła właściwego oraz ciepła przemiany fazowej w analizie bilansu cieplnego.