Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік
Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА. ТЕПЛОВІ МАШИНИ ТА МЕХАНІЗМИ
§ 17 Розв'язання основних типів задай із розділу «Теплові явища»
Усі задачі цієї теми умовно можна поділити на такі групи:
1. Задачі, у яких відбувається обмін енергією без агрегатних перетворень.
2. Задачі, у яких відбуваються зміни агрегатних станів і відомі кінцеві стани речовини (кінцева температура).
3. Задачі, у яких відбуваються зміни агрегатних станів, але невідома кінцева температура.
4. Графічні задачі.
Перші дві групи задач розв’язують способом складання рівняння теплового балансу, з якого визначається невідома величина. Такі задачі можна розв’язати в загальному вигляді, а потім, підставляючи числові значення заданих величин, зробити обчислення.
Задачі третього типу неможливо розв’язати в загальному вигляді. Залежно від числових значень вихідних даних одні процеси можуть протікати, а інші — ні. А від того, які процеси протікають і в якому напрямі, залежить вид рівняння теплового балансу. Розв’язування таких задач необхідно починати з виявлення процесів, що відбуваються першими, у результаті яких виділяється теплота. Потім обчислюють відповідну кількість теплоти, визначаючи напрям наступних можливих процесів.
У розв’язанні задач четвертого типу використовується графічний метод.
У задачах, де в теплообміні беруть участь вода, калориметр і нагріте тверде тіло, маси, теплоємності й температури яких відповідно дорівнюють m1, с1, t1; m2,c2,t2; m3,c3,t3, найчастіше потрібно дати відповіді на такі запитання: яка температура t встановиться в калориметрі? або Яка маса або теплоємність тіла? У цьому випадку процеси, що відбуваються, можна проілюструвати схематичними графіками залежності температури від кількості теплоти, переданої тілу (мал. 57).
Нехай нагріте тіло буде охолоджуватись, а вода й калориметр — нагріватися. Цей процес буде відбуватися доти, доки не встановиться загальна температура t. Кількість теплоти, що виділиться нагрітим тілом, дорівнює кількості теплоти, що поглинається водою та калориметром.
Запишемо рівняння теплового балансу:
Q1 + Q2 = Q3;
m1c1(t - t1) + (t - t2) = m3с3(t3 - t).
Після приведення подібних доданків отримаємо:
m1c1t + m2 c2t + m3c3t = m1c1t1 + m2 c2t2 + m3 c3t3.
Мал. 57 Графіки залежності температури від кількості теплоти
Звідси
Якщо в задачі c1 = c2 = c3 (наприклад, змішування холодної й гарячої води), то температуру суміші рідин визначають за формулою:
Якщо за умовою задачі кінцева температура t відома, а визначити необхідно теплоємність твердого тіла, то отримуємо:
для маси тіла:
Розв’язання задач третього типу розглянемо на такому прикладі. У калориметрі міститься вода масою 400 г, за температури 5 °С. До неї влили ще 200 г води з температурою 10 °С і поклали 400 г льоду температурою -60 °С. Визначити температуру, що встановиться в калориметрі. Як зміниться кількість льоду?
Розв’язання:
Проаналізуємо умову задачі.
При охолодженні всієї маси води до 0 °С вона виділить кількість теплоти QВ = св ∙ (m1t1 +m2t2) = 6,8 кДж. Легко пересвідчитись, що це менше кількості теплоти 
m3, необхідної для плавлення всього льоду.
Значить, t < 0 °C. З іншого боку, на нагрівання льоду до 0 °C піде кількість теплоти Qл = cлm3t3 = 50,4 кДж.
Це менше, ніж виділилося б теплоти при замерзанні всієї води. Тому t > 0 °C. Отже, ми дійшли висновку, що t = 0 °C. Для охолодження води і нагрівання льоду до цієї температури необхідна кількість теплоти:
Q = 50,4 кДж - 16,8 кДж = 33,6 кДж.
Вона може виділитися лише за рахунок замерзання води масою:
∆m = 
= 0,10 кг.
Отже, при встановленні теплової рівноваги маса льоду збільшиться на ∆m = 100 г і буде складати m = m3 + ∆m = 500 г.
Відповідь: t = 0 °С ; маса льоду збільшиться до 500 г.
Розв’язання графічних задач розглянемо на такому прикладі. У калориметрі міститься 1 кг льоду за температури -20 °С. Кількість теплоти, що надається системі, постійна й дорівнює 100 Дж/с. Побудувати графік залежності температури в калориметрі від часу.
Розв’язання:
У процесі постійного нагрівання відбудуться такі процеси: нагрівання льоду, танення льоду, нагрівання утвореної з льоду води до стану кипіння, випаровування та нагрівання пари. Визначимо, яка кількість теплоти витрачається на відповідний процес та час кожного процесу.
Кількість теплоти, необхідна для нагрівання льоду до температури t0 = 0 °С, становить:
Q1 = cлm( t - t0).
Після підстановки числових значень отримуємо
Q1 = 4,2 ∙ 104Дж.
Кількість теплоти, яка потрібна для того, щоб лід розтанув:
Q2 = m , Q2 = 3,3 ∙ 105Дж.
Кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання води до кипіння:
Q3 = cвm(100 °C - 0 °C), Q3 = 4,2 ∙ 105Дж.
Для випаровування води потрібна кількість теплоти:
Q4 = Lm, Q4 = 2,26 ∙ 104Дж.
Потім буде відбуватись нагрівання пари. Кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання пари до 120 °C, дорівнює:
Q5 = cвпm(120 °C - 100 °C),
Q5 = 4,4 ∙ 105Дж.
Інтервал часу, за який лід нагріється до 0 °C, рівний:
∆t1 = 
, ∆t1 = 0,12 год.
Інтервал часу, за який лід повністю розтане, є:
∆t2 = Q2 / Q2, ∆t2 = 0,92 год.
Інтервал часу, за який відбудеться цей процес нагрівання, дорівнює:
∆t3 = Q3 / Qt ∆t3 = 1,2 год.
Інтервал часу, за який відбудеться повне випаровування:
∆t4 = 6,3 год.
Інтервал часу, за який відбудеться нагрівання пари, дорівнює:
∆t5 = 1,2 год.
За отриманими даними побудуємо залежність температури в калориметрі від часу (мал. 58).
Мал. 58. Залежність температури в калориметрі від часу
Перевірте себе (§ 13-17)
Рівень А (початковий)
1. Чому ручку праски виготовляють із пластмаси?
А для краси
Б щоб праска була легшою
В для економії металу
Г пластмаса — поганий провідник тепла
2. На малюнку показано залежність температури кристалічного тіла від часу його нагрівання. Яка температура плавлення тіла, якщо потужність нагрівника є постійною?
А 80 °C
Б 60 °C
В 50 °C
Г 40 °C
3. Мідну, залізну й алюмінієву кульки однакової маси нагріли в киплячій воді, а потім поклали на лід. Під якою з кульок розплавиться більше льоду?
А під мідною
Б під залізною
В під алюмінієвою
Г під мідною й алюмінієвою однаково
4. З підвищенням температури швидкість випаровування зростає. Це зумовлено:
1) збільшенням кількості молекул, що мають енергію, потрібну для їх виходу з рідини;
2) послабленням сил взаємодії між молекулами;
3) зменшенням тиску пари над рідиною.
Виберіть правильні твердження.
А тільки 1 В тільки 3
Б тільки 2 Г 1, 2, 3
5. Установіть відповідність між назвою процесу і зміною агрегатного стану.
|
1 |
сублімація |
А |
перетворення рідини в пару |
|
2 |
конденсація |
Б |
перетворення пари в рідину |
|
3 |
плавлення |
В |
перетворення твердого тіла в газ |
|
4 |
кристалізація |
Г |
перетворення твердого тіла в рідину |
|
5 |
випаровування |
Д |
перетворення рідини у тверде тіло |
Рівень В (середній)
1. Оберіть основну відмінність фізичних властивостей аморфних і кристалічних твердих тіл.
А аморфні тіла мають меншу густину, ніж кристалічні
Б аморфні тіла не мають певної температури плавлення
В аморфні тіла мають відмінну від кристалічних швидкість руху молекул
Г аморфні тіла легко змінюють форму
2. Речовина безперервно отримує енергію, а її температура не змінюється. Що відбувається з речовиною?
А плавиться В кристалізується або кипить
Б кипить Г плавиться або кипить
3. Температура кипіння води 80°С. Це можливо
А за пониженого зовнішнього атмосферного тиску
Б за підвищеного зовнішнього атмосферного тиску
В якщо воду кип’ятити дуже швидко
Г якщо у воду вкинути шматок льоду
Рівень С (достатній)
1. У якій посудині температура води вища: у відкритій чи в закритій кришкою? Посудини однакові, перебувають в однакових умовах.
А у відкритій
Б у закритій
В однакова
Г залежить від зовнішнього тиску
2. Тіло нагрівають нагрівником постійної потужності. На малюнку зображено графік залежності температури тіла від часу. Порівняйте внутрішню енергію тіла в точках, позначених на графіку.
А U1 > U2 > U3 > U4 > U5
Б U1< U2 < U3 < U4 < U5
В U5 < U3 = U4 < U2 < U1
Г U5 > U3 = U4 > U2 > U1
3. На малюнку показані залежності зміни температури речовин від часу з початку нагрівання. Який графік відповідає твердому кристалічному тілу? Відповідь обґрунтуйте.
Рівень D (високий)
1. Скільки теплоти виділиться при конденсації 0,2 кг водяної пари, яка має температуру 100 °С, і при охолодженні одержаної з неї води до 20 °С?
2. У заглибину, зроблену в льоду, вливають свинець. Скільки влили свинцю, якщо він охолов до температури 0 °С і при цьому розтопив лід масою 270 г?