Решение более сложных задач по теме «Изменение агрегатных состояний вещества»

Тема: Агрегатные состояния вещества Урок: Решение более сложных задач по теме «Из- менение агрегатных состояний вещества» . Повторение теории темы «Тепловые явления и агрегатные состояния вещества» Сегодняшний урок является завершающим в главе «Агрегатные состояния вещества», и в рамках него мы решим несколько задач, которые могли бы быть включены в контрольную работу по этой теме. Ранее мы рассмотрели множество тепловых процес- сов: нагревание и охлаждение, плавление и кри- сталлизация, парообразование и конденсация, горе- ние топлива. Кроме этого, мы обсуждали примене- ние в технике технологий, описание которых требу- ет владения указанными понятиями и такой харак- теристикой любого технического устройства, как КПД. Вспомним, какие формулы необходимо знать, чтобы решать задачи по теме «Тепловые явления и агре- гатные состояниявещества». Количество теплоты нагрева или охлаждения тела: Количество теплоты плавления или кристаллизации тела: Количество теплоты парообразования или конден- сации тела: Количество теплоты сгорания топлива:В указанных формулах присутствуют табличные ве- личины, которые тоже необходимо вспомнить: ; удельная теплоемкость, удельная теплота плавления, удельная теплота парообразования, удельная теплота сгорания топлива, ; ; . Перейдем к решению задач. Начнем с задачи, кото- рая соответствует по типу предлагающимся на ЕГЭ (едином государственном экзамене) заданиям. 2. Задача об исследовании графика тепловых процессов Пример 1. По указанному графику (рис. 1) определи- те участок этого графика, который соответствует конденсации вещества. Первоначально вещество находится в газообразном состоянии. Рис. 1. Решение. Как видно из графика, по оси абсцисс от- ложено время, а по оси ординат – температура ве- щества. В условии задачи указано, что некое вещество изна- чально находится в газообразном состоянии (в точке А), из графика можем сделать вывод, что из исходного состояния с течением времени происхо- дит понижение температуры вещества в газообраз-ном состоянии (до точки B). На участке BC, как видно, с течением времени не происходит измене- ния температуры, а это соответствует либо поддер- жанию вещества при постоянной температуре, либо агрегатному переходу. Поскольку в условии указа- но, что агрегатный переход (конденсация) осу- ществляется, а на графике горизонтальных участ- ков больше нет, то BC соответствует процессу кон- денсации, о котором спрашивается в условии. Если проанализировать график на остальных его участках, то на участке CD происходит остывание жидкости, а на DE – ее нагревание. Ответ. Участок BC. 3. Задача на уравнение теплового баланса Пример 2. 20 л холодной воды, взятой при темпера- туре , поместили в некий изолированный сосуд. К этой воде добавили некоторое количество кипят- ка. В результате получилась вода температурой Какой объем кипятка был добавлен к холодной воде? Решение. Запишем условие задачи: Дано: СИ . Поскольку для определения количеств теплоты, ко- торые участвуют в теплообмене, необходимо опре- делить массу воды, выпишем ее плотность из соот-. . и вычислим ветствующей таблицы массу Выпишем также значение удельной теплоемкости воды, которая будет необходима для вычисления количества теплоты: Поскольку по условию сосуд, в котором находятся жидкости, теплоизолирован, то можно утверждать, что тепловая энергия перераспределится между хо- лодной и горячей водой, и мы будем иметь возмож- ность воспользоваться в данном случае уравнением теплового баланса. В уравнении будут присутство- вать два количества теплоты: нагрева холодной воды и охлаждения горячей, другие тепловые про- цессы в рамках задачи не происходят. уравнение теплового баланса. количество теплоты нагревания холод- ной воды. количество теплоты охлаждения горя- чей воды. Подставим полученные выражения в уравнение теп- лового баланса: . Вычислим искомый объем воды: Замечание. Следует отметить, что значение удель- ной теплоемкости воды не важно при решении за- дачи, т. к. эта величина сокращается на определен- ном этапе решения. Аналогично можно обойтись и без значения плотности воды, если не рассчитывать массу воды в начале решения, а подставить ее в .. общем виде в уравнение теплового баланса. В таком случае плотность воды также сократится. Ответ. 4. Задача на КПД теплового прибора Пример 3. 1,2 л воды, взятой при температуре , на электроплитке, КПД которой равно 65%, довели до кипения (рис. 2). Мощность электроплитки со- ставляет 800 Вт. 3% воды при этом превратилось в пар. Сколько времени длилось нагревание? Решение. Рис. 2. Запишем условие задачи: Дано: СИ Для удобства расчетов и записи в «дано» проценты переведены в сотые доли. Поскольку в условии задачи речь идет об учете зна- чения КПД плитки, то следует определиться с тем, какая работа является полезной в данном случае. Полезной работой является количество теплоты на-грева воды и ее частичного парообразования, т. к. именно для этого, в частности, и предназначена на- гревательная плитка. Выпишем дополнительные табличные данные, необ- ходимые для решения задачи: плотность воды , ее удельная теплоемкость удельная теплота парообразования Вычислим массу воды, которая нагревается: и . . Количество теплоты, затраченное на нагревание воды: . Для вычисления количества теплоты парообразова- ния части воды необходимо вычислить массу пара, которая в итоге образуется. Для этого более по- дробно остановимся на вычислении 3% от массы воды. 3% – это три сотых от числа, т. е. для вычис- ления 3% от массы воды (масса образовавшегося пара) проделаем следующее дей- ствие: Количество теплоты, затраченное на парообразова- ние части воды: . . Воспользуемся формулой мощности для вычисления количества теплоты, выделенного электроплиткой ( ), т. е. полного количества теплоты: . Полезная работа нагрева и парообразования воды, как уже было оговорено ранее: .Воспользуемся формулой вычисления КПД электроплитки (без процентов), выразим из нее ис- комое время и вычислим его: . . Ответ. Рассмотренная нами задача является сложной и представляет собой образец применения сразу нескольких понятий изученной темы в едином ком- плексе. На этом мы подводим итог теме «Тепловые явления и агрегатные состояния вещества». На следующем уроке мы начнем новую большую тему «Электромаг- нитные явления». Список литературы 1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010. 2. 3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.