Молекулярна фізика і термодинаміка – Рівняння теплового балансу

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Плавлення і тверднення тіл.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння зміни внутрішньої енергії речовини під час переходу з одного агрегатного стану в інший.

Після досягнення температури \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) лід починає плавитися (танути), а його температура не змінюється попри те, що нагрівач продовжує працювати й передавати льоду певну кількість теплоти. Уся енергія, що надходить від нагрівача, витрачається на руйнування кристалічної ґратки льоду. У цей інтервал часу внутрішня енергія \(\Delta U\) льоду продовжує збільшуватися. І збільшиться вона на ту кількість теплоти \(Q,\) яка необхідна для плавлення льоду масою \(m=3\ \text{кг}:\) $$ \Delta U=Q=qm, $$ де \(q\) ‒ питома теплота плавлення;

Отже, внутрішня енергія льоду, що розтанув, збільшилася на \(9,9\cdot 10^5\ \text{Дж}.\)

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Кількість теплоти.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння перетворення кількості теплоти в інший вид енергії.

Унаслідок утраченої мідною кулькою внутрішньої енергії виділилася певна кількість теплоти \(Q:\) \begin{gather*} Q=cm\Delta t, \end{gather*} де \(c\) ‒ питома теплоємність міді, з якої зроблена кулька, \(m\) ‒ маса кульки, \(\Delta t\) ‒ зміна температури.

Під час підняття кульки на певну висоту \(h\) збільшиться її потенціальна енергія \(E_p\) від нуля до якогось значення: $$ E_p=mgh, $$ де \(g\) ‒ прискорення вільного падіння.

За умовою на підняття кульки витратиться \(1\ \text{%}\) від кількості теплоти, що виділиться: \begin{gather*} 0,01\cdot Q=E_p,\\[7pt] 0,01\cdot cm\Delta t=mgh,\\[7pt] 0,01\cdot c\Delta t=gh. \end{gather*}

Виразімо звідси \(h\) й обчислімо її:

Відповідь: A.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Коефіцієнт корисної дії.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння змісту коефіцієнта корисної дії та вміння визначати його для різних пристроїв.

Коефіцієнт корисної дії \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\eta}\) пристрою дорівнює відношенню роботи \(A,\) виконуваної пристроєм, до кількості теплоти \(Q,\) отриманої під час згоряння палива: $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\eta}=\frac AQ\cdot 100\ \text{%}. $$

Роботу струму визначімо як добуток потужності \(P\) струму й часу \(t\) роботи генератора: \begin{gather*} A=Pt. \end{gather*}

Кількість теплоти під час згоряння палива визначімо як добуток питомої теплоти згоряння \(q\) і маси палива \(m:\) $$ Q=qm. $$

Підставімо вирази для роботи і кількості теплоти у формулу для коефіцієнта корисної дії та обчислімо його:

Відповідь: 16.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Конденсація. Питома теплота пароутворення.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння процесу фазового переходу з газуватого стану в рідкий, а також уміння визначати кількість теплоти під час фазового переходу й під час охолодження.

Для того щоб перетворити водяну пару на воду, треба спочатку її сконденсувати (за умовою водяна пара є за температури конденсації), а після фазового переходу пари в рідину потрібно рідину охолодити до температури \(50\ ^\circ\mathrm{C}.\)

Отже, кількість теплоти \(Q,\) яка під час цього виділиться, складатиметься з двох порцій ‒ кількість теплоти \(Q_1,\) що виділиться під час конденсації пари й кількість теплоти \(Q_2,\) що виділиться під час охолодження води: \begin{gather*} Q=Q_1+Q_2,\\[7pt] Q_1=Lm_\text{пари}. \end{gather*} де \(L\) ‒ питома теплота пароутворення (вона ж виділиться під час конденсації), \(m_\text{пари}\) ‒ маса водяної пари. $$ Q_2=cm_\text{води}(t_1-t_2), $$ де \(c\) ‒ питома теплоємність води, \(m_\text{води}\) ‒ маса води, \(t_1=100\ ^\circ\mathrm{C}\) ‒ початкова температура води, \(t_2=50\ ^\circ\mathrm{C}\) ‒ кінцева температура води.

Відповідь: 25,1.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Кількість теплоти.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття кількості теплоти, а також вміння здобувати інформацію з графіків.

Кількість теплоти, яка поглинається внаслідок нагрівання речовини (або виділяється внаслідок її охолодження), обчислюють за формулою $$ Q=cm\Delta T=cm\Delta t, $$ де \(c\) ‒ питома теплоємність речовини; \(m\) ‒ маса речовини; \(\Delta T=\Delta t=T-T_0=t-t_0\) ‒ зміна температури за шкалами Кельвіна і Цельсія відповідно (зміна температури за шкалою Кельвіна дорівнює зміні температури за шкалою Цельсія \(\Delta T=\Delta t,\) тобто ціна поділки шкали Кельвіна дорівнює ціні поділки шкали Цельсія: \(1\ ^\circ\mathrm{C}=1\ \mathrm{K}).\)

Скористаймося графіками з умови завдання, щоб визначити відношення мас двох порцій води.

Загальна формула для визначення маси така: $$ m=\frac{Q}{c\Delta t}. $$

Питома теплоємність води однакова в обох її порціях. Зручно взяти також однакову кількість теплоти ‒ \(8\ \text{кДж},\) отриману обома порціями води. А різниця температур буде різна.

Графік 1: зважаючи на те, що одиничний відрізок по вертикальній осі температур становить \(10\ ^\circ\mathrm{C},\) визначимо, що початкова температура $$ t_{01}=10\ ^\circ\mathrm{C}. $$

Після отримання теплоти \(8\ \text{кДж}\) кінцева температура $$ t_1=40\ ^\circ\mathrm{C}. $$

Тоді різниця температур $$ \Delta t_1=30\ ^\circ\mathrm{C}. $$

Графік 2: початкова температура $$ t_{02}=10\ ^\circ\mathrm{C}. $$

Після отримання теплоти \(8\ \text{кДж}\) кінцева температура $$ t_2=20\ ^\circ\mathrm{C}. $$

Тоді різниця температур $$ \Delta t_2=10\ ^\circ\mathrm{C}. $$

Запишімо формули для визначення мас й обчислімо відношення їх:

Отже, маса порції води \(m_2\) більша за масу порції води \(m_1\) утричі.

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Кількість теплоти. Коефіцієнт корисної дії нагрівника.

Завдання скеровано на перевірку розуміння того, що є корисною, а що – повною кількістю теплоти, уміння застосовувати формули для обчислення кількості теплоти під час нагрівання речовини і коефіцієнта корисної дії нагрівника.

1. Кількість теплоти \(Q,\) яка поглинається під час нагрівання речовини (або виділяється внаслідок її охолодження), обчислюють за формулою $$ Q=cm(t_2-t_1), $$ де \(c\) ‒ питома теплоємність речовини; \(m\) ‒ маса речовини; \(t_2\) і \(t_1\) ‒ кінцева і початкова температури.

Обчислимо кількість теплоти, необхідної для нагрівання порції води до кипіння відповідно до умови завдання:

Відповідь: 672.

2. Коефіцієнт корисної дії \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\eta}\) нагрівника ‒ це фізична величина, яка характеризує ефективність нагрівника й дорівнює відношенню корисно спожитої теплоти \(Q_\text{кор}\) до всієї теплоти \(Q_\text{повна},\) яка може бути виділена під час повного згоряння палива (або це може бути кількість теплоти, яка виділяється в провіднику зі струмом): $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\eta}=\frac{Q_\text{кор}}{Q_\text{повна}}\cdot 100\ \text{%}. $$

Відповідно до умови завдання корисно спожита кількість теплоти ‒ це та кількість теплоти, яку поглинула вода під час нагрівання її до кипіння: $$ Q_\text{кор}=Q=672\ \text{кДж}. $$

Під час проходження струму в електричному чайнику протягом \(10\ \text{хв}\) виділиться повна кількість теплоти, частина якої піде безпосередньо на нагрівання води до кипіння ‒ \(Q_\text{кор},\) а частина буде витрачена на нагрівання самого чайника і навколишнього середовища: $$ Q_\text{повна}=Pt, $$ де \(P\) ‒ потужність нагрівника (чайника), \(t\) ‒ час нагрівання.

Обчислімо коефіцієнт корисної дії чайника:

Відповідь: 1. 672. 2. 56.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна та його максимальне значення.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння формул для визначення коефіцієнта корисної дії теплового двигуна.

Коефіцієнт корисної дії \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\eta}\) теплового двигуна (теплової машини) можна визначити за формулою \begin{gather*} \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\eta}=\frac{T_\text{н}-T_\text{х}}{T_\text{н}}\cdot 100\ \text{%}, \end{gather*} де \(T_\text{н}\) - температура нагрівника; \(T_\text{х}\) ‒ температура холодильника.

За умовою нагрівником є резервуар із водою, яка кипить. Температура кипіння дорівнює \(100\ ^\circ\mathrm{C},\) тобто $$ T_\text{н}=100\ ^\circ\mathrm{C}=373\ \text{К}. $$

Холодильником є ємність із льодом, який тане. Температура танення льоду \(0\ ^\circ\mathrm{C},\) тобто \begin{gather*} T_\text{х}=0\ ^\circ\mathrm{C}=273\ \text{К}. \end{gather*}

З іншого боку коефіцієнт корисної дії теплової машини дорівнює відношенню корисної роботи \(A,\) виконуваної машиною, до кількості теплоти \(Q_\text{н},\) одержуваної від нагрівника: \begin{gather*} \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\eta}=\frac{A}{Q_\text{н}}\cdot 100\ \text{%}. \end{gather*}

Частина теплоти \(Q_\text{н}\) від нагрівника піде на виконання корисної роботи \(A,\) а залишок буде переданий холодильнику \(Q_\text{х},\) унаслідок чого розтане лід: $$ Q_\text{н}=A+Q_\text{х}. $$

Прирівняймо ці два вирази для визначення коефіцієнта корисної дії:

Порція теплоти, яка буде передана холодильнику, може розплавити лід масою \(m_\text{л}:\) $$ Q_\text{х}=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}m_\text{л}, $$ де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}\) ‒ питома теплота плавлення льоду.

Тобто \begin{gather*} \frac{T_\text{н}-T_\text{х}}{T_\text{н}}=\frac{A}{A+\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}m_\text{л}}. \end{gather*}

Підставимо числові значення величин з умови завдання і визначимо масу льоду:

Відповідь: 910.

ТЕМА: Тема: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Рівняння теплового балансу для найпростіших теплових процесів.

Завдання скеровано на перевірку розуміння і вміння застосовувати рівняння теплового балансу.

Запишімо рівняння теплового балансу: з одного боку льоду треба надати кількість теплоти \(Q_\text{л},\) щоб він нагрівся до температури плавлення, і ще порцію кількості теплоти \(Q_\text{пл},\) щоб лід повністю розтанув, з іншого боку ця кількість теплоти \(Q_\text{в}\) буде передаватися льоду від теплої води, яку доливатимуть у посудину: \begin{gather*} Q_\text{л}+Q_\text{пл}=Q_\text{в},\\[7pt] Q_\text{л}=c_\text{л}m_\text{л}(t_\text{пл}-t_\text{л}), \end{gather*} де \(c_\text{л}\) ‒ питома теплоємність льоду, \(m_\text{л}\) ‒ маса льоду, \(t_\text{пл}=0\ ^\circ\mathrm{C}\) ‒ температура плавлення льоду, \(t_\text{л}\) ‒ початкова температура льоду. $$ Q_\text{пл}=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}m_\text{л}, $$ де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}\) ‒ питома теплота плавлення льоду (під час плавлення ‒ зміни агрегатного стану льоду з твердого на рідкий ‒ температура залишиться сталою, уся енергія ітиме на руйнування кристалічних ґраток). $$ Q_\text{в}=c_\text{в}m_\text{в}(t_\text{в}-t_\text{пл}), $$ де \(c_\text{в}\) ‒ питома теплоємність води, \(m_\text{в}\) ‒ маса води, \(t_\text{в}\) ‒ початкова температура води, \(t_\text{пл}=0\ ^\circ\mathrm{C}\) ‒ температура, до якої охолоне вода.

Підставімо усі вирази для кількості теплоти в рівняння теплового балансу:

Виразімо і обчислімо масу води:

Відповідь: 8,5.

ТЕМА: Молярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Рівняння теплового балансу для найпростіших теплових процесів.

Завдання скеровано на перевірку вміння визначати кількість теплоти, що віддають і поглинають тіла, а також уміння складати рівняння теплового балансу.

Кількість теплоти \(Q_\text{к},\) яку віддасть кип’ятильник, становитиме: \begin{gather*} Q_\text{к}=I^2R\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\tau} - \text{закон Джоуля ‒ Ленца}, \end{gather*} де \(I\) ‒ сила струму, \(R\) ‒ опір кип’ятильника, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\tau}\) ‒ час.

Оскільки в умові дано напругу, а не силу струму, то, скориставшись законом Ома для ділянки кола $$ I=\frac UR, $$ отримаємо формулу для кількості теплоти кип’ятильника: $$ Q_\text{к}=\frac{U^2}{R^2}\cdot R\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\tau}=\frac{U^2\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\tau}}{R}. $$

Кількість теплоти \(Q_\text{в},\) необхідну для кип’ятіння води, визначімо за формулою \begin{gather*} Q_\text{в}=cm(t_2-t_1), \end{gather*} де \(c\) ‒ питома теплоємність води, \(m\) ‒ маса води, \((t_2-t_1)\) ‒ різниця температур води.

Тоді кількість теплоти, що витрачається під час цього на теплообмін із навколишнім середовищем, є різницею енергії, яку дає кип’ятильник, й енергії, потрібної для того, щоб закип’ятити воду: \begin{gather*} \Delta Q=Q_\text{к}-Q_\text{в}. \end{gather*}

Виконаймо розрахунки:

де \(m=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\cdot V\) (\(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\) ‒ густина води, \(V\) ‒ об’єм води в одиницях SI).

Відповідь: 390.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Рівняння теплового балансу для найпростіших теплових процесів.

Завдання скеровано на перевірку розуміння переходу кількості теплоти під час теплових процесів.

Запишімо рівняння теплового балансу для процесу, описаного в умові завдання: $$ Q_1=Q_2, $$ де \(Q_1\) ‒ це кількість теплоти, яку гарячіша вода віддасть, \(Q_2\) ‒ кількість теплоти, яку холодніша вода отримає.

Запишімо відповідні формули: $$ Q_1=c_\text{в}m_1(t_1-t_\text{к}), $$ де \(c_\text{в}\) ‒ питома теплоємність води, \(m_1\) ‒ маса гарячішої води, \(t_1\) ‒ початкова температура гарячішої води, \(t_\text{к}\) ‒ кінцева температура суміші; $$ Q_2=c_\text{в}m_2(t_\text{к}-t_2), $$ де \(m_2\) ‒ маса холоднішої води, \(t_2\) ‒ початкова температура холоднішої води.

Підставімо всі вирази для кількості теплоти в рівняння теплового балансу й визначімо відношення мас води \(\frac{m_2}{m_1}:\)

Зміна температури за шкалою Кельвіна дорівнює зміні температури за шкалою Цельсія: $$ \Delta T=\Delta t, $$ де \(T\) ‒ абсолютна температура за шкалою Кельвіна, тобто ціна поділки шкали Кельвіна дорівнює ціні поділки шкали Цельсія: $$ 1\ ^\circ{\mathrm{C}}=1\ \text{K}. $$

Обчислімо відношення мас води \(\frac{m_2}{m_1}:\) $$ \frac{m_2}{m_1}=\frac{(80-40)\ ^\circ{\mathrm{C}}}{(40-20)\ ^\circ{\mathrm{C}}}=2. $$

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії (рівняння стану ідеального газу). Властивості газів, рідин і твердих тіл (теплота згоряння палива).

Завдання скеровано на перевірку вміння описувати стан газу за допомогою рівняння стану ідеального газу, визначати кількість теплоти згоряння палива.

Кількість теплоти \(Q,\) що виділиться внаслідок згоряння всього метану, який міститься в автомобільному газовому балоні, можна обчислити за формулою $$ Q=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}m, $$ де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}\) ‒ питома теплота згоряння палива, \(m\) ‒ маса метану.

Визначімо масу метану в балоні. Для цього опишімо за допомогою рівняння стану ідеального газу (рівняння Менделєєва ‒ Клапейрона) стан метану в балоні: $$ pV=\frac mMRT, $$ де \(p\) ‒ тиск газу в балоні, \(V\) ‒ об’єм метану в балоні (а це і є об’єм балона), \(m\) ‒ маса метану, \(M\) ‒ молярна маса метану, \(R\) ‒ універсальна газова стала, \(T\) ‒ температура метану в балоні.

Виразімо з рівняння стану масу: $$ m=\frac{pVM}{RT}. $$

Переведімо значення всіх величин у систему SI:

Підставимо ці значення у формулу для обчислення маси:

Підставимо значення маси у формулу для визначення кількості теплоти згоряння метану:

Відповідь: 400.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Рівняння теплового балансу для найпростіших теплових процесів.

Завдання скеровано на перевірку розуміння теплових процесів і вміння складати рівняння теплового балансу.

Під час згоряння паливо віддаватиме тепло, яке потрібне, щоб розтопити лід.

В ізольованій системі тіл, у якій внутрішня енергія тіл змінюється лише внаслідок теплопередачі, загальна кількість теплоти, віддана одними тілами системи, дорівнює загальній кількості теплоти, одержаної іншими тілами цієї системи.

Загальний вигляд рівняння теплового балансу такий:

Запишімо рівняння теплового балансу відповідно до умови завдання: \begin{gather*} Q^-_\text{згоряння}=Q^+_\text{плавлення};\\[7pt] qm_\text{п}=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}m_\text{л}, \end{gather*} де \(q\) ‒ питома теплота згоряння палива, \(m_\text{п}\) ‒ маса палива, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}\) ‒ питома теплота плавлення льоду, \(m_\text{л}\) ‒ маса льоду.

В умові йдеться про лід за температури його плавлення – \(0\ ^\circ \mathrm{C}.\) Тож уся отримана від згоряння палива кількість теплоти буде витрачена на зміну агрегатного стану льоду з твердого на рідкий.

Обчислімо необхідну масу палива:

Відповідь: Б.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Рівняння теплового балансу для найпростіших теплових процесів.

Завдання скеровано на перевірку розуміння переходу кількості теплоти під час теплових процесів.

Запишімо рівняння теплового балансу для процесу, описаного в умові завдання: $$ Q_1=Q_2+Q_3, $$ де \(Q_1\) ‒ це кількість теплоти, що віддасть вода льоду, \(Q_2\) ‒ кількість теплоти, необхідна, щоб нагріти лід від температури \(‒10\ ^\circ \mathrm{C}\) до температури плавлення \(0 ^\circ \mathrm{C},\) \(Q_3\) ‒ кількість теплоти, потрібна для плавлення льоду.

Під час плавлення температура льоду не змінюватиметься, оскільки вся кількість теплоти піде на руйнування кристалічних ґраток льоду і перехід його з твердого стану в рідкий.

Отже, кінцевою температурою води, яку доливатимемо в посудину, і води, яку отримаємо після плавлення (танення) льоду, буде температура \(0 ^\circ \mathrm{C}.\) \begin{gather*} Q_1=c_\text{в}m_\text{в}(t_\text{в}-0), \end{gather*} де \(c_\text{в}\) ‒ питома теплоємність води, \(m_\text{в}\) ‒ шукана маса води, \(t_\text{в}\) ‒ початкова температура води; $$ Q_2=c_\text{л}m_\text{л}(0-t_\text{л}), $$ де \(c_\text{л}\) ‒ питома теплоємність льоду, \(m_\text{л}\) ‒ маса льоду, \(t_\text{л}\) ‒ початкова температура льоду; $$ Q_3=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}m_\text{л}, $$ де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}\) ‒ питома теплоємність плавлення льоду.

Підставімо всі вирази для кількості теплоти в рівняння теплового балансу й визначімо необхідну масу води: \begin{gather*} c_\text{в}m_\text{в}(t_\text{в}-0)=c_\text{л}m_\text{л}(0-t_\text{л})+\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}m_\text{л},\\[6pt] m_\text{в}=\frac{m_\text{л}(c_\text{л}(0-t_\text{л})+\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda})}{c_\text{в}(t_\text{в}-0)}. \end{gather*}

Зміна температури за шкалою Кельвіна дорівнює зміні температури за шкалою Цельсія: $$ \Delta T=\Delta t, $$ де \(T\) ‒ абсолютна температура за шкалою Кельвіна, тобто ціна поділки шкали Кельвіна дорівнює ціні поділки шкали Цельсія: $$ 1\ ^\circ \mathrm{C}=1\ \text{K}. $$

Відповідно

Відповідь: 8,5.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Робота і потужність електричного струму.

Завдання скеровано на перевірку розуміння, що є корисною, а що – повною кількістю теплоти під час роботи електронагрівача.

Запишімо формулу для визначення коефіцієнта корисної дії \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\eta}\) нагрівача електрочайника: \begin{gather*} \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\eta}=\frac{Q_\text{к}}{Q_\text{п}}\cdot 100\ \text{%}, \end{gather*} де \(Q_\text{к}\) ‒ корисна кількість теплоти, яка потрібна, щоб довести воду за температури \(34\ ^\circ \text{C}\) до кипіння \((100\ ^\circ \text{C}),\) \(Q_\text{п}\) ‒ повна кількість теплоти, що може виділитися під час проходження електричного струму через нагрівач електрочайника.

У формулі $$ Q_\text{к}=cm(t_\text{к}-t_\text{в})=c\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}V(t_\text{к}-t_\text{в}) $$ \(c\) ‒ питома теплоємність, \(m\) ‒ маса, \(t_\text{к}\) ‒ температура кипіння, \(t_\text{в}\) ‒ температура, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\) ‒ густина, \(V\) ‒ об᾽єм води.

Повну кількість теплоти можна визначити за законом Джоуля ‒ Ленца:

Або ж за формулою для визначення роботи \(A\) електричного струму: \begin{gather*} Q_\text{п}=A=UI\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\tau} \end{gather*} де \(U\) ‒ напруга в мережі, \(I\) ‒ сила струму, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\tau}\) ‒ час, протягом якого нагрівали воду.

Підставмо вирази для корисної і повної кількості теплоти у формулу для коефіцієнта корисної дії і визначимо силу струму:

Відповідь: 6,25.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Рівняння теплового балансу для найпростіших теплових процесів.

Завдання скеровано на перевірку вміння складати рівняння теплового балансу.

Запишімо в загальному вигляді рівняння теплового балансу:

де \(n\) – кількість тіл, що віддають енергію; \(k\) – кількість тіл, що отримують енергію. Формулюють його так: в ізольованій системі тіл, у якій внутрішня енергія тіл змінюється лише внаслідок теплопередачі, загальна кількість теплоти, віддана одними тілами системи, дорівнює загальній кількості теплоти, отриманої іншими тілами цієї системи.

Запишімо рівняння теплового балансу відповідно до умови завдання, де гаряча вода віддає певну кількість теплоти \(Q_\text{г}\) холодній воді, відповідно холодна вода таку саму кількість теплоти \(Q_\text{х}\) отримає: \begin{gather*} Q_\text{г}^-=Q_\text{х}^+,\\[7pt] Q_\text{г}=cm_\text{г}(t_\text{г}-t_\text{к}), \end{gather*} де \(c\) ‒ питома теплоємність води, \(m_\text{г}\) ‒ маса гарячої води, \(t_\text{г}\) ‒ початкова температура гарячої води, \(t_\text{к}\) ‒ кінцева температура води, що встановилася в калориметрі: $$ Q_\text{х}=cm_\text{х}(t_\text{к}-t_\text{х}), $$ де \(c\) ‒ питома теплоємність води, \(m_\text{х}\) ‒ маса холодної води, \(t_\text{х}\) ‒ початкова температура холодної води, \(t_\text{к}\) ‒ кінцева температура води, що встановилася в калориметрі:

Відповідь: 64.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Кількість теплоти. Коефіцієнт корисної дії.

Завдання скеровано на перевірку розуміння процесу згоряння палива й уміння обчислити коефіцієнт корисної дії.

1. Піч виконала корисну роботу – вода закипіла. Запишімо формулу для визначення кількості теплоти, яку отримала вода для того, щоб закипіти. Оскільки початкова температура води за умовою була \(10\ ^\circ \mathrm{C},\) то воді треба було надати порцію теплоти \(Q,\) щоб вона нагрілася до температури кипіння \(100\ ^\circ \mathrm{C}:\) $$ Q=cm\cdot \Delta t=c\cdot \rho V\cdot \Delta t, $$ де \(c\) ‒ питома теплоємність води, \(\rho\) – густина води, \(V\) – об'єм води, \(\Delta t\) – зміна температури.

Значення об’єму переведімо в одиниці системи СІ: \(10\ \text{л}=0,01\ \text{м}^3.\)

2. Запишімо формулу для визначення коефіцієнта корисної дії \(\eta :\) $$ \eta=\frac{Q_\text{корисна}}{Q_\text{повна}}\cdot 100\ \text{%}. $$

Корисно спожиту водою кількість теплоти \(Q_\text{корисна}\) для нагрівання води до температури кипіння вже обчислено в першій частині завдання. Обчислімо теплоту, яка виділиться внаслідок повного згоряння дров: $$ Q_\text{повна}=qm, $$ де \(q\) – питома теплота згоряння дров, \(m\) – маса дров.

Обчислімо значення кількості теплоти, що виділилася: $$ Q_\text{повна}=18,9\ \text{МДж/кг}\cdot 2\ \text{кг}=37,8\ \text{МДж}. $$

Обчислімо коефіцієнт корисної дії печі: $$ \eta=\frac{3,78\ \text{МДж}}{37,8\ \text{МДж}}\cdot 100\ \text{%}=10\ \text{%}. $$

Можна зробити висновок, що коефіцієнт корисної дії печі дуже низький, багато втрат – нагрівається сама піч, навколишнє повітря і предмети.
Відповідь: 10.

Відповідь: 1. 3,78. 2. 10.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Питома теплоємність речовини.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати розрахункові задачі про фазові переходи.

Розгляньмо наведений в умові графік. Ділянка, на якій протягом двох хвилин (від 1‑ої до 3‑ої) температура речовини не змінювалася, відповідає плавленню, під час якого вся кількість теплоти \(Q_1\) витрачається на руйнування кристалічних ґраток, тобто на зміну агрегатного стану, а не на нагрівання: $$ Q_1=\lambda m, $$ де \(\lambda\) ‒ питома теплота плавлення речовини масою \(m\).

Потужність \(P,\) яку споживає під час плавлення речовина протягом часу \(\tau_1=2\ \text{хв}=120\ \text{с},\) обчислюють за формулою $$ P=\frac{Q_1}{\tau_1}. $$

Тепер розгляньмо ділянку графіка від 3‑ої до 4‑ої хвилини. Речовина розплавилася і почала нагріватися. Під час цього вона отримає кількість теплоти \(Q_2,\) яка витратиться на підвищення температури від \(0\) до \(40\ ^\circ \mathrm{C}\) протягом часу \(\tau_2=1\ \text{хв}=60\ \text{с}:\) $$ Q_2=cm\Delta t, $$ де \(c\) ‒ питома теплоємність речовини в рідкому стані. Під час цього процесу потужність \(P\) залишатиметься сталою, її обчислюють за формулою $$ P=\frac{Q_2}{\tau_2}. $$

Прирівняймо ці два вирази для потужності: \begin{gather*} \frac{Q_1}{\tau_1}=\frac{Q_2}{\tau_2},\\[6pt] \frac{\lambda m}{\tau_1}=\frac{cm\Delta t}{\tau_2}. \end{gather*}

Масу можна скоротити й дістати вираз шуканої величини ‒ питомої теплоємності: \begin{gather*} c=\frac{\lambda\cdot \tau_2}{\tau_1\cdot \Delta t}=\frac{200\cdot 10^3\ \text{Дж/кг}\cdot 60\ \text{с}}{120\ \text{с}\cdot 40\ \text{К}}=\\[6pt] =\frac{20\ 000}{8}\ \frac{\ \text{Дж}}{\ \text{кг}\cdot \ \text{К}}=2500\ \frac{\text{Дж}}{\text{кг}\cdot\text{К}}=2,5\ \frac{\text{кДж}}{\text{кг}\cdot\text{К}}. \end{gather*}

Відповідь: 2,5.

ТЕМА: Молекулярна фізика та термодинаміка. Рівняння стану ідеального газу. Відносна вологість.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати комбіновані задачі з використанням рівняння стану ідеального газу й формул, що стосуються вологості повітря.

Дано:
\(V=0,83\ \text{м}^3\)
\(t=100\ ^\circ\text{С}\)
\(p=10^5\ \text{Па}\)
\(M=18\cdot 10^{-3}\ \frac{\text{кг}}{\text{моль}}\)

1. Знайти:
\(m\ -\ ?\)

$$ pV=\frac mM RT, $$ де \(p\) – тиск, \(V\) – об’єм, \(R\) – універсальна газова стала, \(T\) – температура, \(m\) – маса газу, \(M\) – молярна маса речовини.

У рівняння стану ідеального газу треба підставити температуру в кельвінах (К): \begin{gather*} T=t+273=100+273=373\ (\text{К}). \end{gather*}

Тоді з рівняння стану ідеального газу можна виразити масу газу:

2. Знайти:
\(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}\ -\ ?\)

Відносну вологість повітря можна визначити за формулою: $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}=\frac{p_{\text{а}}}{p_{\text{н. п.}}}\cdot 100\ \text{%}, $$ де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}\) – відносна вологість повітря, \(p_{\text{н. п.}}\) – тиск насиченої пари, \(p_{\text{а}}\) – парціальний тиск водяної пари.

За умовою тиск насиченої пари води \(p_{\text{н. п.}}=100\ \text{кПа}\), а тиск водяної пари, що утворилась під час нагрівання, \(p_{\text{а}}=10^5\ \text{Па}\).

Тож

Відповідь: 1. 0,48. 2. 100.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Рівняння теплового балансу. Робота. Потужність. ККД.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати комплексні розрахункові задачі, що поєднують у собі використання понять роботи, потужності й рівняння теплового балансу.

Дано:
\(V=10\ \text{л}\)
\(\triangle t=45\ ^\circ\text{С}\)
\(P=35\ \text{кВт}\)
\(c=4\ 200\ \text{Дж}/(\text{кг}\cdot \text{К})\)
\(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}=1\ 000\ \text{кг/м}^3\)

1. Знайти:
\(Q\ -\ ?\)

Кількість теплоти, що необхідна для нагрівання цієї порції води, можна обчислити з виразу: $$ Q=cm\triangle t. $$

Масу води можна обчислити за виразом:

Тоді можна обчислити кількість теплоти:

2. Знайти:
\(\text{ККД}\ (\text{%})\ -\ ?\)

Коефіцієнт корисної дії (ККД) можна визначити як відношення корисної роботи \(A\) до загальної енергії \(Q\), виробленої газовим котлом: $$ \text{ККД}=\frac{A}{Q}\cdot 100\ \text{%}. $$

Корисна робота газового котла в цьому разі – це кількість теплоти, витрачена на нагрівання води.

Загальну енергію, вироблену газовим котлом, можна обчислити з виразу для його потужності: $$ P=\frac{Q}{t}, $$ де \(Q\) - вироблена газовим котлом енергія, а \(t\) – час роботи газового котла. \begin{gather*} Q=Pt=35\ \text{кВт}\cdot 1\ \text{хв}=35\ 000\ \text{Вт}\cdot 60\ \text{с}=\\[7pt] =2\ 100\ 000\ \text{Дж}=2\ 100\ \text{кДж}. \end{gather*}

Тоді можна визначити ККД газового котла:

Відповідь: 1. 1890. 2. 90.

ТЕМА: Теплота згоряння палива. Рівняння теплового балансу палива. Рівняння теплового балансу для найпростіших теплових процесів.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати розрахункові задачі, пов’язані з рівняннями теплового балансу.

Дано:
\(m=3\ \text{кг}\)
\(t_1=40\ ^\circ\text{С}\)
\(c_{\text{води}}=4200\ \frac{\text{Дж}}{\text{кг}\ \cdot\ \text{К}}\)
\(r=2300\ \frac{\text{кДж}}{\text{кг}}\)
\(q=45\ \frac{\text{МДж}}{\text{кг}}\)
\(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}=0,8\ \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}\)
\(t_2=100\ ^\circ\text{С}\)

1. Знайти:
\(V\ (\text{м}^3)\ -\ ?\)

Необхідну для нагрівання води до температури кипіння \((100\ ^\circ\text{С})\) кількість енергії можна визначити за формулою \begin{gather*} Q_{\text{нагр}}=cm(t_2-t_1), \end{gather*} де \(c\) – питома теплоємність тіла, \(m\) – маса тіла, \(t_1\) – початкова температура тіла, \(t_2\) – кінцева температура тіла.

Енергію, що виділиться під час спалювання газу, можна визначити за формулою $$ Q_{\text{спал}}=qm, $$ де \(q\) – питома теплота згоряння палива, \(m\) – маса тіла.

Маса палива пов’язана з його густиною та об’ємом формулою $$ m_{\text{пал}}=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}_{\text{пал}}V_{\text{пал}}, $$ де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\) – густина палива, \(V\) – об’єм палива.

Тоді рівняння теплового балансу таке:

2. Знайти:
\(Q\ (\text{кДж})\ -\ ?\)

Для того, щоби випарувати воду, її необхідно нагріти до температури кипіння \((100\ ^\circ\text{С})\). Необхідну для нагрівання кількість енергії можна визначити за формулою \begin{gather*} Q_{\text{нагр}}=cm(t_2-t_1), \end{gather*} де \(c\) – питома теплоємність тіла, \(m\) – маса тіла, \(t_1\) – початкова температура тіла, \(t_2\) – кінцева температура тіла.

Енергію, необхідну для випаровування води, можна визначити за формулою $$ Q_{\text{вип}}=rm, $$ де \(r\) – питома теплота пароутворення, \(m\) – маса тіла.

Тоді можна обчислити загальну необхідну кількість теплоти:

Відповідь: 1. 0,021. 2. 7656.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Рівняння теплового балансу. Робота. Потужність. Коефіцієнт корисної дії (ККД).

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати комбіновані задачі, пов’язані з електричною потужністю і рівнянням теплового балансу.

Дано:
\(R=20\ \text{Ом}\)
\(U=200\ \text{В}\)
\(m=1\ \text{кг}\)
\(t_1=20\ ^\circ\text{С}\)
\(t_2=100\ ^\circ\text{С}\)
\(t=200\ \text{с}\)
\(c=4200\ \frac{\text{Дж}}{\text{кг}\ \cdot\ \text{К}}\)

1. Знайти:
\(A\ (\text{кДж})\ -\ ?\)

Потужність пов’язана з роботою формулою $$ P=\frac At, $$ де \(A\) – виконувана робота, а \(t\) – час виконання роботи.

Потужність електричного нагрівача можна визначити за формулою $$ P=UI=\frac{U^2}{R}, $$ де \(U\) – напруга, \(I\) – сила струму.

Тож

2. Знайти:
\(\text{ККД}\ (\text{%})\ -\ ?\)

ККД нагрівача визначають як відношення корисної роботи, виконаної ним, до повної роботи: \begin{gather*} \text{ККД}=\frac{Q}{A_\text{пов}}\cdot 100\ \text{%}, \end{gather*} де \(Q\) – це енергія, що необхідна для нагрівання води.

Необхідну для нагрівання води кількість енергії можна визначити за формулою $$ Q=cm(t_2-t_1), $$ де \(c\) – питома теплоємність тіла, \(m\) – маса тіла, \(t_1\) – початкова температура тіла, \(t_2\) – кінцева температура тіла.

Повна робота – це робота струму в електричному нагрівачі, тож

Відповідь: 1. 400. 2. 84.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Кількість теплоти.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв'язувати задачі на рівняння теплового балансу.

$$ Q_{\text{віддане}}= Q_{\text{отримане}}, $$ тобто $$ m_1c(t_1-t_c)=m_2c(t_c-t_2). $$

Після скорочення: \begin{gather*} m_1(t_1-t_c)=m_2(t_c-t_2)\\[6pt] \frac{m_2}{m_1}=\frac{t_1-t_c}{t_c-t_2}\\[6pt] \frac{m_2}{m_1}=\frac{(80-40)\ ^\circ\text{С}}{(40-20)\ ^\circ\text{С}}=\frac{40}{20}=2. \end{gather*}

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика й термодинаміка. Рівняння теплового балансу. Робота. Потужність. Коефіцієнт корисної дії (ККД).

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати комплексні розрахункові задачі, що поєднують у собі використання понять роботи, потужності й рівняння теплового балансу.

Дано:
\(P=4,6\ \text{кВт}\)
\(\triangle t=10\ ^\circ\text{С}\)
\(\triangle \tau=10\ \text{хв}\)
\(m=6\ \text{кг}\)
\(c=460\ \text{Дж}/(\text{кг}\cdot \text{К})\)

1. Знайти:
\(Q(\text{кДж})\ -\ ?\)

Виділена під час тертя теплота витрачається на нагрівання верстата, тому можна скористатися рівнянням теплового балансу для її визначення: $$ Q=cm\triangle t=460\frac{\text{Дж}}{\text{кг}\cdot \text{К}}\cdot 6\ \text{кг}\cdot 10\ ^\circ\text{С}=27600\ \text{Дж}=27,6\ \text{кДж}. $$

2. Знайти:
\(\text{ККД}_{max}(\text{%})\ -\ ?\)

ККД можна визначити як відношення виконаної тепловою машиною роботи \(A\) до отриманої нею енергії \(Q\): $$ \text{ККД}=\frac{A}{Q}\cdot 100\ \text{%}. $$

Кількість енергії, що отримує верстат від двигуна, можна обчислити за його потужністю: $$ P=\frac{Q_{\text{вит}}}{\tau}, $$ де \(Q_{\text{вит}}\) – витрачена верстатом енергія, а \(\tau\) – час роботи верстата.

\begin{gather*} Q_{\text{вит}}=P\tau=4,6\ \text{кВт}\cdot 10\ \text{хв}=4600\ \text{Вт}\cdot 600\ \text{с}=\\[7pt] =2760000\ \text{Дж}=2760\ \text{кДж}. \end{gather*}

На виконання корисної роботи \(A\) піде вся енергія, передана верстату двигуном крім тої, що буде витрачена на нагрівання від тертя, тому: $$ A=Q_{\text{вит}}-Q=2760\ \text{кДж}-27,6\ \text{кДж}=2732,4\ \text{кДж}. $$

Тоді ККД дорівнюватиме: $$ \text{ККД}=\frac{A}{Q_{\text{вит}}}\cdot 100\ \text{%}=\frac{2732,4\ \text{кДж}}{2760\ \text{кДж}}\cdot 100\ \text{%}\approx 99\ \text{%}. $$

Відповідь: 1. 27,6. 2. 99.

ТЕМА: Молекулярна фізика й термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Рівняння теплового балансу для найпростіших теплових процесів.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати розрахункові задачі на рівняння теплового балансу й коефіцієнт корисної дії (ККД).

Дано:
\(m_{\text{води}}=2\ \text{кг}\)
\(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\tau}=10\ \text{хв}\)
\(t_1=20\ ^\circ\text{С}\)
\(t_2=100\ ^\circ\text{С}\)
\(P=2\ \text{кВт}\)
\(c_{\text{води}}=4,2\ \text{кДж}/(\text{кг}\ \cdot\ ^\circ\text{С})\)

1. Знайти:
\(Q\ -\ ?\)

Кількість теплоти, що необхідна для нагрівання цієї порції води, можемо знайти з виразу: \begin{gather*} Q=cm\triangle t=4,2\ \text{кДж}/(\text{кг}\ \cdot\ ^\circ\text{С})\cdot 2\ \text{кг}\cdot (100\ ^\circ\text{С}-20\ ^\circ\text{С})=\\[7pt] =4\ 200\ \text{Дж}/(\text{кг}\ \cdot\ ^\circ\text{С})\cdot 2\ \text{кг}\cdot 80\ ^\circ\text{С}=672\ 000\ \text{Дж}=672\ \text{кДж}, \end{gather*} де \(c\) – питома теплоємність речовини, що віддає тепло, \(m\) – її маса, \(\triangle t\) – зміна температури під час охолодження.

2. Знайти:
\(\text{ККД}\ (\text{%})\ -\ ?\)

ККД можна визначити як відношення виконаної роботи \(A\) до загальної енергії \(Q\), виробленої чайником: $$ \text{ККД}=\frac{A}{Q}\cdot 100\ \text{%}. $$

Загальну енергію, вироблену чайником, можна обчислити за формулою для його потужності: $$ P=\frac{Q}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\tau}}, $$ де \(Q_{\text{вит}}\) – вироблена чайником енергія, а \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\tau}\) – час роботи чайника.

\begin{gather*} Q_{\text{вит}}=P\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\tau}=2\ \text{кВт}\cdot 10\ \text{хв}=2\ 000\ \text{Вт}\cdot 600\ \text{с}=\\[7pt] =1\ 200\ 000\ \text{Дж}=1\ 200\ \text{кДж}. \end{gather*}

Тоді можна визначити ККД чайника: $$ \text{ККД}=\frac{A}{Q}\cdot 100\ \text{%}=\frac{672\ \text{кДж}}{1\ 200\ \text{кДж}}\cdot 100\ \text{%}=56\ \text{%}. $$

Відповідь: 1. 672. 2. 56.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Рівняння теплового балансу.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати розрахункові задачі на рівняння теплового балансу.

Дано:
\(t_{\text{холодна}}=10\ ^\circ \mathrm{C}\)
\(V_{\text{холодна}}=100\ \text{мл}=0,0001\ \text{м}^3\)
\(t_{\text{гаряча}}=90\ ^\circ \mathrm{C}\)
\(V_{\text{гаряча}}=300\ \text{мл}=0,0003\ \text{м}^3\)

Знайти:
\(t_{\text{суміш}}-?\)

Для правильного розв’язання завдання потрібно записати вираз для суміші рідин різної температури:

Масу води обчислюють за її об’ємом і густиною: $$ m=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}V\ \boldsymbol (2). $$ Потім потрібно підставити (2) в (1) і скоротити:

Тоді

Відповідь: 70.

ТЕМА: Молекулярна фізика й термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Рівняння теплового балансу для найпростіших теплових процесів.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати розрахункові задачі на рівняння теплового балансу й стану теплової рівноваги.

У калорифері вода й лід обмінюються теплотою, щоби досягти стану теплової рівноваги. Передусім потрібно оцінити, яка кількість теплоти потрібна для охолодження всієї води до температури замерзання \((0\ ^{\circ}\text{С})\):

Затим треба розрахувати кількість теплоти, необхідної дня нагрівання льоду до температури плавлення \((0\ ^{\circ}\text{С})\):

Оскільки \(Q_{\text{нагрівання}}\lt Q_{\text{охолодження}}\), то навіть після того весь лід буде нагріто до температури \(0\ ^{\circ}\text{С}\), вода все ще не охолодиться до цієї температури й віддасть льоду решту теплоти, що витратиться на процес його танення:

Наступний крок розв’язання полягає в обчисленні кількості теплоти, потрібної для того, щоби лід повністю розтанув:

\(Q_{\text{танення}}\gt Q_{\text{охолодження}}-Q_{\text{нагрівання}},\) тому лише частина льоду розтане, після чого система прийде до стану теплової рівноваги за температури \(0\ ^{\circ}\text{С}.\)

Відповідь: Б.

ТЕМА: Властивості газів, рідин і твердих тіл. Плавлення і тверднення тіл. Рівняння теплового балансу для найпростіших теплових процесів.

Завдання скеровано на перевірку розуміння понять температури плавлення, питомої теплоємності й питомої теплоти плавлення речовин.

Для того щоби розплавити метал в алюмінієвій посудині, температура його плавлення має бути меншою, ніж в алюмінію. Адже саме посудина передаватиме теплоту до металу всередині, а теплота може самовільно передаватися лише від більш нагрітого тіла до менш нагрітого.

Тож в таблиці треба вибрати метал із меншою температурою плавлення, ніж алюміній, тобто свинець.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Теплота згоряння палива. Рівняння теплового балансу палива. Рівняння теплового балансу для найпростіших теплових процесів.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати розрахункові задачі, пов’язані з рівняннями теплового балансу.

1. Дано:
\(V=4\cdot 10^8\ \text{м}^3\)
\(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}=1\ \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}\)
\(q=40\ \text{МДж/кг}\)

1. Знайти:
\(Q\ (\text{Дж})\ -\ ?\)

Кількість теплоти, що виділяється під час згоряння палива, можна розрахувати за формулою: $$ Q=qm, $$ де \(q\) – питома теплота згорання палива, \(m\) – маса палива.

Маса палива пов’язана з його об’ємом \(V\) й густиною \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\): $$ m=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}V. $$

Тож можна розрахувати виділену кількість теплоти:

2. Дано:
\(m_{\text{пов}}=8\cdot 10^{13}\ \text{кг}\)
\(c_{\text{пов}}=1000\ \frac{\text{Дж}}{\text{кг}\ \cdot\ ^\circ\mathrm{C}}\)
\(q=40\ \text{МДж/кг}\)

2. Знайти:
\(\triangle t\ (^\circ\mathrm{C})\ -\ ?\)

Для того, щоб оцінити, як зміниться температура тропосфери, потрібно записати рівняння теплового балансу $$ Q=cm\triangle t, $$ де \(Q\) – отримана (або віддана) кількість теплоти, \(c\) – питома теплоємність тіла, \(m\) – маса тіла. \(\triangle t\) – зміна температури тіла.

Якщо кількість теплоти \(Q=16\ \text{ПДж}\) повністю передається тропосфері, то саме ця \(Q\) є отриманою кількість теплоти в лівій частині рівняння теплового балансу. Тож можна розрахувати зміну температури:

Відповідь: 1. 16. 2. 0,2.

ТЕМА: Квантова фізика. Світлові кванти. Рівняння теплового балансу.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати комплексні задачі із застосуванням рівняння теплового балансу, зокрема із джерелом теплоти, що пов’язане з квантами світла.

Дано:
\(m=0,5\ \text{г}\)
\(N=2,1\cdot 10^{18}\ \frac{1}{\text{с}}\)
\(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}=600\ \text{нм}\)
\(t=1\ \text{хв}\)
\(c_{\text{води}}=4200\ \frac{Дж}{\text{кг}\ \cdot\ \text{К}}\)
\(c=3,8\cdot 10^{8}\ \frac{\text{м}}{\text{с}}\)
\(h=6,63\cdot 10^{-34}\ \text{Дж}\cdot \text{с}\)

Знайти:
\(\Delta T\ (\text{К})\ -\ ?\)

Кількість отриманої теплоти й зміна температури пов’язані формулою $$ Q=cm\Delta T, $$ де \(c\) – питома теплоємність речовини, що віддає тепло, \(m\) – її маса, \(\Delta t\) – зміна температури під час охолодження.

Теплоту крапля отримує від поглинання енергії фотонів, яку для одного фотона визначають за формулою $$ E=h\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\nu}, $$ де \(E\) – енергія фотона, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\nu}\) – частота випромінювання, \(h\) – стала Планка.

Частота й довжина хвилі пов’язані виразом $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\nu}=\frac{c}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}}. $$

Якщо за одну секунду крапля отримує \(N\) фотонів, то за одну хвилину вона отримає \(tN\) фотонів. Тоді можна розрахувати всю енергію, отриману від них за формулою $$ Q=NtE=Nth\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\nu}=Nth\frac{c}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}}. $$ Тоді можна доповнити рівняння теплового балансу: $$ Nth\frac{c}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}}=c_{\text{води}}m\Delta T. $$ І з цього виразу можна обчислити різницю температур \(\Delta T\):

Відповідь: 20.

ТЕМА: Перетворення енергії в коливальному контурі. Закон Джоуля – Ленца. Рівняння теплового балансу.

Завдання скеровано на оцінювання знання формул для визначення енергії коливального контуру, кількості теплоти, що виділяється під час згоряння палива, і закону Джоуля – Ленца.

\(\frac{LI^2}{2}\), де \(L\) – індуктивність, \(I\) – сила струму – енергія магнітного поля струму.

\(I^2Rt\) де \(I\) – сила струму, \(R\) – опір, \(t\) – час – кількість теплоти, що виділяється в провіднику під час проходження електричного струму.

\(qm\) де \(q\) – питома теплота згоряння палива, \(m\) – маса – кількість теплоти, що виділяється внаслідок горіння палива.

\(\frac{CU^2}{2}\) де \(U\) – напруга, а \(C\) – електроємність – енергія зарядженого конденсатора.

Відповідь: 1В, 2А, 3Г, 4Д.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Рівняння теплового балансу

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати розрахункові задачі на рівняння теплового балансу.

1. Дано:
\(m_\text{води}=200\ \text{г}\)
\(t_\text{води}=24\ ^\circ\text{C}\)
\(m_\text{сталі}=2,1\ \text{кг}\)
\(t_\text{рівноваги}=74\ ^\circ\text{C}\)
\(c_\text{води}=4200\ \frac{\text{Дж}}{\text{кг}\ \cdot\ ^\circ\text{C}}\)
\(c_\text{сталі}=500\ \frac{\text{Дж}}{\text{кг}\ \cdot\ ^\circ\text{C}}\)

1. Знайти:
\(Q\ (\text{кДж})\ -\ ?\)

Необхідну для нагрівання енергію можна визначити за формулою: $$ Q=cm\Delta t, $$ де \(c\) – питома теплоємність речовини, \(m\) – маса речовини, \(\Delta t=(t_2-t_1)\) – різниця температур.

Маса води в одиницях СІ становить: \(200\ \text{г}=0,2\ \text{кг}\).

Тоді енергію, необхідну для нагрівання води від \(24\) до \(74\ ^\circ\text{C}\) можна визначити за формулою:

2. Знайти:
\(t_\text{сталі}\ (^\circ\text{C})\ -\ ?\)

Енергія, необхідна для нагрівання води, не могла взятися нізвідки. У системі немає зовнішнього джерела тепла (нагрівач, пічка, тощо). Єдиним джерелом додаткової енергії могла стати сталева кулька, що мала температуру вищу, за початкову температуру води. Енергія, що виділилась під час ї охолодження якраз і пішла на нагрівання води.

Енергію, що виділилась від час охолодження також можемо визначити за формулою: $$ Q=cm\Delta t, $$ де \(c\) – питома теплоємність речовини, \(m\) – маса речовини, \(\Delta t=(t_2-t_1)\) – різниця температур.

Варто пам’ятати, що енергію, яку тіло втратило, позначають як від’ємну. Тож маємо рівняння:

Відповідь: 1. 42. 2. 114.

ТЕМА: Рівняння теплового балансу. Потенціальна енергія.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати комбіновані задачі на рівняння теплового балансу й потенціальну енергію тіла.

Дано:
\(t_1=20\ ^\circ\text{С}\)
\(t_2=18\ ^\circ\text{С}\)
\(\Delta =1\ \text{%}\)
\(c=380\ \frac{\text{Дж}}{\text{кг}\ \cdot\ \text{К}}\)
\(g=10\ \frac{\text{м}}{\text{с}^2}\)

Знайти:
\(h\ (\text{м})\ -\ ?\)

Утрачену під час охолодження кульки енергію можна розрахувати за формулою $$ Q=cm\Delta t, $$ де \(c\) – питома теплоємність речовини, що віддає тепло, \(m\) – її маса, \(\Delta t\) – зміна температури під час охолодження.

Енергію тіло втрачає, тому отримане число – від’ємне, тож знак «мінус» тут позначає лише напрямок руху енергії. У подальших розрахунках використовуватимемо значення \(Q=760m\ \text{Дж}\).

Коли тіло піднімається на певну висоту, то збільшується його потенціальна енергія. Її можна розрахувати за формулою: $$ U=mgh, $$ де \(m\) – маса тіла, \(g\) – прискорення вільного падіння, \(h\) – висота підйому.

Саме на збільшення потенціальної енергії буде витрачено \(1\ \text{%}\) енергії охолодження:

Відповідь: 0,76.