Найдите изменение массы льда при плавлении

Найдите изменение массы льда при плавлении

Одному килограмму воды, находящейся в твёрдом состоянии при температуре 0 °C, сообщают количество теплоты 330 кДж. Как в результате этого изменяются следующие физические величины: температура воды, объём воды, внутренняя энергия воды? (Удельная теплота плавления льда 3,3·10 5 Дж/кг).

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

А) температура воды

В) внутренняя энергия воды

3) не изменится

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА	ЕЁ ИЗМЕНЕНИЕ

Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам:

При передаче телу тепла его внутренняя энергия возрастает (В — 1). Пусть — теплота плавления воды. Найдём массу расплавившейся воды:

То есть вся вода перейдёт в жидкое состояние, но на повышение температуры энергии не останется (А — 3). Плотность льда меньше плотности воды, поэтому при плавлении объём воды уменьшится (Б — 2).

Так как температура при плавлении льда остается постоянной, t=0°C, то внутренняя энергия системы лед-вода должна оставаться постоянной, так как ΔU=(3/2)*ƲRΔT. Следовательно ответ должен быть не 321, а 323

— формула только для идеального газа. Она не применима к жидкостям и твёрдым телам и тем более к фазовым переходам.

Источник

41. Плавление и отвердевание

Сборник задач по физике, Лукашик В.И.

1055. Почему на Севере для измерения низких температур воздуха пользуются не ртутными термометрами, а спиртовыми?
При температуре северного воздуха ртуть отвердевает, а спирт не замерзает.

1056. Почему лед не сразу начинает таять, если его внести с мороза в натопленную комнату?
Тепловая энергия комнаты передается льду постепенно.

1057. Температура плавления стали 1400 °С. При сгорании пороха в канале ствола орудия температура достигает 3600 °С. Почему ствол орудия не плавится при выстреле?
Температура 3600°С создается ненадолго. Количество теплоты, выделенной порохом, недостаточно для плавления ствола, оно идет на работу по расширению газа в стволе.

1058. Два тигля с одинаковой массой расплавленного свинца остывают в помещениях с разной температурой. Какой график построен для теплого помещения, а какой — для холодного (рис. 266, а, б)? Найдите различия в графиках и объясните причины этих различий.
Тигль «а» остывает в теплой комнате, а тигль «б» — в холодной. Остывание тигля «б» происходит быстрее, потому что он отдает больше внутренней энергии окружающей среде в единицу времени.

1059. Почему зимой при длительных остановках выливают воду из радиатора автомобиля?
При низких температурах вода расширяется и может деформировать радиатор и рубашку двигателя. (Конечно, вода сначала превращается в лед).

1060. Оболочки космических кораблей и ракет делают из тугоплавких металлов и специальных сплавов. Почему?
При движении летательных аппаратов в атмосфере с большой скоростью на них действует большая сила трения. Работа силы трения идет на увеличение внутренней энергии обшивки, и ее температура достигает высоких значений.

1061. При спаивании стальных деталей иногда пользуются медным припоем. Почему нельзя паять медные детали стальным припоем?
Медная деталь расплавится раньше, чем стальной припой, поскольку температура плавления меди меньше, чем у стали.

1062. Почему невозможно пользоваться очень маленьким паяльником при пайке массивных кусков меди или железа?
Количество теплоты, передаваемого маленьким паяльником, недостаточно для повышения температуры массивной детали до температуры плавления.

1063. Объясните на основании молекулярно-кинетической теории, почему у тела не повышается температура в момент плавления и кристаллизации.
Температура — мера средней кинетической энергии молекул. При плавлении (кристаллизации) энергия, подводимая телу (теряемая телом) идет на разрушение (создание) кристаллической решетки. При этом изменяется потенциальная энергия молекул. На это расходуется энергия, кинетическая энергия не меняется, а, значит, не меняется температура.

1064. Два одинаковых сосуда из полиэтилена заполнили водой, температура которой 0 °С. Один сосуд поместили в воду, другой — в измельченный лед, имеющие, как и окружающий воздух, температуру 0 °С. Замерзнет ли вода в каком-нибудь из этих сосудов?
Нет; в первом случае это очевидно. Во втором также нет, так как для отвердевания воды необходимо отвести некоторое количество теплоты

1065. На рисунке 267 показано, как со временем изменяется температура при нагревании и охлаждении свинца. Твердому или жидкому состоянию соответствуют участки графика АВ, ВС, CD, GH? Что может быть причиной того, что участок GH круто идет вниз? Чему равны температура плавления и кристаллизации свинца?
АВ — твердое, ВС — твердое и жидкое, CD — жидкое, GH — твердое. На участке GH от свинца отводится количество теплоты. Температура плавления свинца — 327°С.

1066. В сосуде находится лед при температуре -10 °С. Сосуд поставили на горелку, которая дает в равные промежутки времени одинаковое количество теплоты. Укажите, какой график (рис. 268) соответствует описанному случаю.
Самый верхний график.

1067. Постройте примерный график для нагревания, плавления и кристаллизации олова.

1068. Внимательно рассмотрев график охлаждения и кристаллизации вещества (рис. 269), ответьте на вопросы: для какого вещества составлен график? Сколько времени охлаждалось вещество от 20 °С до температуры кристаллизации? Сколько времени длился процесс кристаллизации? О чем говорит участок графика DE? Как приблизительно расположились бы точки А, В, С, D, Е относительно друг друга и оси t, если бы при той же температуре окружающей среды был бы составлен график для того же вещества, но большей массы?
График составлен для воды. Вещество охлаждалось 20 мин. Процесс кристаллизации длился 30 минут. На участке DE к веществу не подводили и не отводили теплоту. Для вещества большей массы участки АВ, ВС (как, впрочем, и CD, DE) вытянулись бы вдоль оси t.

1069. При постановке эксперимента отдельно нагревали до 1000 °С алюминий, железо, медь, цинк, сталь, серебро и золото. В каком состоянии — жидком или твердом — находились эти металлы при указанной температуре?
В жидком состоянии находились: алюминий, цинк, серебро. В твердом — железо, медь, сталь, золото.

1070. Болванки из алюминия и серого чугуна одинаковой массы нагреты до температуры их плавления. Для плавления какого из этих тел потребуется больше энергии? Во сколько раз?

1071. Алюминиевый и медный бруски массой 1 кг каждый нагреты до температуры их плавления. Для плавления какого тела потребуется больше количества теплоты? На сколько больше?

1072. Смогли бы мы наблюдать привычные нам изменения в природе весной, если бы удельная теплота плавления льда была такой же маленькой, как у ртути?
Смогли бы, но паводки были бы более обильными вследствие быстрого таяния льда.

1073. Почему агроном дал указание полить вечером огородные культуры, когда по радио передали сообщение о том, что ночью будут заморозки? Ответ объясните.
Огородные культуры поливают водой перед заморозками для предохранения их от замерзания. Вода покрывается тонким слоем льда и защищает посадки от отрицательных температур.

1074. На сколько при плавлении увеличится внутренняя энергия ртути, свинца, меди массами по 1 кг, взятых при их температурах плавления?
По определению удельная теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо передать телу массой 1 кг при температуре плавления для того, чтобы его перевести в жидкое состоянии. По закону сохранения энергии все это количество теплоты пойдет на изменение внутренней энергии тела. При плавлении 1 кг ртути внутренняя энергия увеличилась на 104Дж, 1 кг свинца — на 2,5 • 10 4Дж, 1 кг меди — на 21 • 10 4Дж.

1075. На сколько уменьшится внутренняя энергия при кристаллизации брусков из белого чугуна массой 2 кг, олова массой 1 кг, железа массой 5 кг, льда массой 10 кг, охлажденных до температуры их кристаллизации?

1076. Во сколько раз плавление куска железа массой 1 кг требует больше энергии, чем плавление той же массы белого чугуна, серебра, серого чугуна и ртути, нагретых до своей температуры плавления?

1077. Во сколько раз требуется больше энергии для плавления льда при температуре 0 °С, чем для изменения температуры той же массы льда на 1 °С?

1078. Какое количество теплоты поглощают при плавлении тела из серебра, золота, платины? Масса каждого тела равна 10 г. Тела взяты при их температурах плавления.

1079. Какое количество теплоты поглощает при плавлении лед массой 5 кг, если начальная температура льда 0; -1; -10 °С?

1080. Какое количество теплоты поглощает при плавлении кусок свинца массой 1 г, начальная температура которого 27 °С; олова массой 10 г, взятого при температуре 32 °С?

1081. Сколько энергии приобретет при плавлении кусок свинца массой 0,5 кг, взятый при температуре 27 °С?

1082. Сколько энергии приобретет при плавлении брусок из цинка массой 0,5 кг, взятый при температуре 20 °С?

1083. На сколько увеличилась внутренняя энергия расплавленного железного металлолома массой 4 т, начальная температура которого была равна 39 °С?

1084. Масса серебра 10 г. Сколько энергии выделится при его кристаллизации и охлаждении до 60 °С, если серебро взято при температуре плавления?

1085. Сколько энергии выделится при кристаллизации и охлаждении от температуры плавления до 27 °С свинцовой пластинки размером 2X5X10 см?

1086. Из копильника вагранки для отливки детали выпустили расплавленное железо массой 50 кг. Какое количество теплоты выделилось при его кристаллизации и охлаждении до 39 °С?

1087. Какое количество теплоты потребуется для обращения в воду льда массой 2 кг, взятого при 0 °С, и при нагревании образовавшейся воды до температуры 30 °С?

1088. Готовя пищу, полярники используют воду, полученную из расплавленного льда. Какое количество теплоты потребуется для того, чтобы расплавить лед массой 20 кг и полученную воду вскипятить, если начальная температура льда равна -10 °С? (Потерями подводимой теплоты на нагревание окружающих тел пренебречь.)

1089. Объем формы для пищевого льда равен 750 см3. Сколько энергии отдают вода и лед форме и окружающему ее воздуху в холодильнике, если у воды начальная температура 12 °С, а температура образовавшегося льда равна -5 °С?

1090. Какое количество теплоты пошло на приготовление в полярных условиях питьевой воды из льда массой 10 кг, взятого при температуре -20 °С, если температура воды должна быть равной 15 °С?

1091. Рассчитайте расход энергии на процессы, соответствующие участкам АВ, ВС и CD графика (рис. 270), приняв массу льда равной 0,5 кг.

1092. Сколько энергии выделилось при отвердевании и охлаждении до 25 °С заготовки маховика массой 80 кг, отлитой из белого чугуна? Удельную теплоемкость чугуна принять равной удельной теплоемкости железа. Температура плавления чугуна равна 1165 °С.

1093. Свинцовая деталь массой 100 г охлаждается от 427 °С до температуры плавления, отвердевает и охлаждается до 27 °С. Какое количество теплоты передает деталь окружающим телам? (Удельную теплоемкость расплавленного свинца принять равной 170 Дж/(кг-°С).)

1094. В железной коробке массой 300 г мальчик расплавил 100 г олова. Какое количество теплоты пошло на нагревание коробки и плавление олова, если начальная температура их была равна 32 °С?

1095. Железная заготовка, охлаждаясь от температуры 800 до 0 °С, растопила лед массой 3 кг, взятый при 0 °С. Какова масса заготовки, если вся энергия, выделенная ею, пошла на плавление льда?

Источник

Удельная теплота плавления

Содержание

Рассматривая график плавления и отвердевания льда в прошлом уроке, мы выяснили, что во время процесса плавления температура льда не меняется. Температура продолжит расти только тогда, когда лед полностью перейдет в жидкость. То же самое мы наблюдали и при кристаллизации воды.

Но, когда лёд плавится, он все равно получает энергию. Ведь во время плавления мы не выключаем горелку – лёд получает какое-то количество теплоты от сгорающего в спиртовке (или другом нагревателе) топлива. Куда уходит эта энергия? Вы уже знаете закон сохранения энергии – энергия не может исчезнуть.

В данном уроке мы подробно рассмотрим, что происходит во время процесса плавления, как изменяется энергия и температура. Это позволит нам перейти к новому определению – удельной теплоте плавления.

Изменение внутренней энергии и температуры при плавлении

Так на что же уходит энергия, которую мы сообщаем телу, при плавлении?

Вы знаете, что в кристаллических твердых телах атомы (или молекулы) расположены в строгом порядке (рисунок 1). Они не двигаются так активно, как в газах или жидкостях. Тем не менее, они также находятся в тепловом движении – колеблются.

Взгляните еще раз на график плавления и отвердевания льда (рисунок 2).

Нагревание льда идет на участке AB. В это время увеличивается средняя скорость движения его молекул. Значит, возрастает и их средняя кинетическая энергия и температура. Размах колебаний атомов (или молекул) увеличивается.

Так происходит то того момента, пока нагреваемое тело не достигнет температуры плавления.

При температуре плавления нарушается порядок в расположении частиц в кристаллах.

Так вещество начинает переход из твердого состояния в жидкое.

Значит, энергия, которую получает тело после достижения температуры плавления, расходуется на разрушение кристаллической решетки. Поэтому температура тела не повышается – участок графика BC.

Изменение внутренней энергии и температуры при отвердевании

При отвердевании происходит обратное.

Средняя скорость движения молекул и их средняя кинетическая энергия в жидкости (расплавленном веществе) уменьшается при охлаждении. Этому соответствует участок графика DE на рисунке 2.

Теперь силы притяжения между молекулами могут удерживать их друг около друга. Расположение частиц становится упорядоченным – образуется кристалл (участок графика EF).

Куда расходуется энергия, которая выделяется при кристаллизации? Температура тела остается постоянной во время этого процесса. Значит, энергия расходуется на поддержание этой температуры, пока тело полностью не отвердеет.

Теперь мы можем сказать, что

При температуре плавления внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в твёрдом состоянии.

Эта избыточная энергия выделяется при кристаллизации и поддерживает температуру тела на одном уровне во время всего процесса отвердевания.

Удельная теплота плавления

Опытным путем доказано, что для превращения твердых кристаллических тел одинаковой массы в жидкость необходимо разное количество теплоты. Тела при этом рассматриваются при их температурах плавления.

Удельная теплота плавления – это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой $1 \space кг$, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние.

• обозначается буквой $\lambda$
• единица измерения – $1 \frac<Дж><кг>$

Удельная теплота плавления некоторых веществ

В таблице 1 представлены экспериментально полученные величины удельной теплоты плавления для некоторых веществ.

Вещество	$\lambda, \frac<Дж><кг>$	Вещество	$\lambda, \frac<Дж><кг>$
Алюминий	$8.9 \cdot 10^5$	Сталь	$0.84 \cdot 10^5$
Лёд	$3.4 \cdot 10^5$	Золото	$0.67 \cdot 10^5$
Железо	$2.7 \cdot 10^5$	Водород	$0.59 \cdot 10^5$
Медь	$2.1 \cdot 10^5$	Олово	$0.59 \cdot 10^5$
Парафин	$1.5 \cdot 10^5$	Свинец	$0.25 \cdot 10^5$
Спирт	$1.1 \cdot 10^5$	Кислород	$0.14 \cdot 10^5$
Серебро	$0.87 \cdot 10^5$	Ртуть	$0.12 \cdot 10^5$

Таблица 1. Удельная теплота плавления некоторых веществ (при нормальном атмосферном давлении)

Удельная теплота плавления золота составляет $0.67 \cdot 10^5 \frac<Дж><кг>$. Что это означает?

Для того, чтобы расплавить кусок золота массой $1 \space кг$, взятого при температуре $1064 \degree C$ (температура плавления золота), до жидкого состояния, нам потребуется затратить $0.67 \cdot 10^5 \space Дж$ энергии.

Опытным путём доказано, что

при отвердевании кристаллического вещества выделяется точно такое же количество теплоты, которое поглощается при его плавлении.

То есть, при кристаллизации расплавленного золота массой $1 \space кг$ выделится $0.67 \cdot 10^5 \space Дж$ энергии.

Расчет количества теплоты, необходимого для плавления или отвердевания вещества

Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для плавления кристаллического тела массой $m$, взятого при его температуре плавления и нормальном атмосферном давлении, нужно удельную теплоту плавления $\lambda$ умножить на массу тела $m$:
$Q = \lambda m$.

Мы можем выразить из этой формулы массу $m$ и удельную теплоту плавления $\lambda$:

Количество теплоты, которое выделится при отвердевании, рассчитывается по этой же формуле. Но при этом необходимо помнить, что внутренняя энергия тела будет уменьшаться.

Примеры задач

1. В кастрюлю положили лёд массой $2 \space кг$. Его температура была равна $0 \degree C$. Рассчитайте количество энергии, которое понадобилось, чтобы полностью растопить лёд и превратить его в кипяток с температурой $100 \degree C$. Количество теплоты, затраченное на нагревание кастрюли не учитывать.
   Рассчитайте количество энергии, которое понадобится для превращения в кипяток ледяной воде той же массы и температуры, что и лёд.

Для расчёта нам понадобится значение удельный теплоемкости воды $c$, которое можно посмотреть в таблице.

Дано:
$m = 2 \space кг$
$t_1 = 0 \degree C$
$t_2 = 100 \degree C$
$\lambda = 3.4 \cdot 10^5 \frac<Дж><кг>$
$с = 4.2 \cdot 10^3 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Чтобы рассчитать количество теплоты, которое понадобиться, чтобы превратить лёд в кипящую воду, нам понадобиться сначала его расплавить. Количество теплоты $Q_1$, затраченное на плавление льда, рассчитаем по формуле $Q_1 = \lambda m$.
$Q_1 = 3.4 \cdot 10^5 \frac<Дж> <кг>\cdot 2 \space кг = 6.8 \cdot 10^5 \space Дж$

Теперь у нас есть вода с температурой $0 \degree C$. Для расчёта количества теплоты $Q_2$, необходимого для нагревания воды используем формулу $Q_2 = cm(t_2 – t_1)$.
$Q_2 = 4.2 \cdot 10^3 \frac<Дж> <кг \cdot \degree C>\cdot 2 \space кг \cdot (100 \degree C – 0 \degree C) = 8.4 \cdot 10^3 \frac<Дж> <кг>\cdot 100 \degree C = 8.4 \cdot 10^5 \space Дж$.

Тогда, для превращения куска льда в кипяток нам потребуется количество теплоты:
$Q = Q_1 + Q_2 = 6.8 \cdot 10^5 \space Дж + 8.4 \cdot 10^5 \space Дж = 15.2 \cdot 10^5 \space Дж$.

Если теперь мы возьмем вместо льда воду при $0 \degree C$, то для ее превращения в кипяток, нужно просто ее нагреть. Это количество теплоты мы уже рассчитали:
$Q_2 = 8.4 \cdot 10^5 \space Дж$.

Ответ: $Q = 15.2 \cdot 10^5 \space Дж$, $Q_2 = 8.4 \cdot 10^5 \space Дж$.

1. Сколько энергии потребуется для того, чтобы расплавить железо массой $10 \space кг$ с начальной температурой $29 \degree C$?
   Удельная теплоемкость железа – $460 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$, температура плавления – $1539 \degree C$.

Дано:
$m = 10 \space кг$
$t_1 = 29 \degree C$
$t_2 = 1539 \degree C$
$c = 460 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$
$\lambda = 2.7 \cdot 10^5 \frac<Дж><кг>$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Чтобы рассчитать общее затраченное количество теплоты $Q = Q_1 + Q_2$, нужно рассчитать отдельно количество теплоты $Q_1$, затраченное на нагревание железа до температуры плавления, и количество теплоты $Q_2$, затраченное на его плавление.

$Q_1 = cm(t_2 – t_1)$.
$Q_1 = 460 \frac<Дж> <кг \cdot \degree C>\cdot 10 \space кг \cdot (1539 \degree C – 19 \degree C) = 4600 \frac<Дж> <\degree C>\cdot 1510 \degree C = 6 \space 946 \space 000 \space Дж \approx 69 \cdot 10^5 \space Дж$.

$Q_2 = \lambda m$.
$Q_2 = 2.7 \cdot 10^5 \frac<Дж> <кг>\cdot 10 \space кг = 27 \cdot 10^5 \space Дж$.

$Q = Q_1 + Q_2 = 69 \cdot 10^5 \space Дж + 27 \cdot 10^5 \space Дж = 96 \cdot 10^5 \space Дж$.

Ответ: $Q = 96 \cdot 10^5 \space Дж$.

1. На заводе охлаждают стальную деталь от $800 \degree C$ до $0 \degree C$. При этом она растопила лёд массой $3 \space кг$, взятый при $0 \degree C$. Определите массу детали, если вся выделенная ей энергия пошла на растопку льда.
   Удельная теплоемкость стали – $500 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$.

Дано:
$m_1 = 3 \space кг$
$\lambda_1 = 3.4 \cdot 10^5 \frac<Дж><кг>$
$c_2 = 500 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$
$t_1 = 800 \degree C$
$t_2 = 0 \degree C$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

При плавлении лёд поглотит количество теплоты $Q_1 = \lambda_1 m_1$.

При охлаждении стальная деталь выделит количество теплоты $Q_2 = c_2m_2(t_2 – t_1)$.

По закону сохранения энергии эти энергии будут равны:
$Q_1 = Q_2$.
Т.е., $\lambda_1 m_1 = c_2m_2(t_2 – t_1)$.

Ответ: $m_2 = 2.55 \space кг$.

Источник