1. Сформулируйте определение процессов испарения и конденсации. При каком условии происходит испарение жидкости?
Испарение — это процесс превращения жидкости в пар, происходящий с её поверхности при любой температуре. Конденсация — это процесс превращения пара в жидкость при охлаждении или увеличении давления. Испарение происходит, когда молекулы жидкости получают достаточно энергии, чтобы преодолеть силы межмолекулярного притяжения и покинуть поверхность жидкости.
2. От каких факторов зависит скорость испарения жидкости?
Температура — чем выше, тем больше молекул имеет достаточную энергию для испарения. Площадь поверхности — чем больше поверхность испарения, тем интенсивнее процесс. Влажность окружающей среды — при высокой влажности испарение замедляется. Движение воздуха — ветер или поток воздуха ускоряет испарение, удаляя молекулы пара. Давление — пониженное давление способствует испарению.
3. Что такое удельная теплота парообразования? На что расходуется подводимое количество теплоты при парообразовании?
Удельная теплота парообразования — это количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар без изменения температуры. Обозначается L и измеряется в Дж/кг.
При парообразовании подводимое тепло расходуется на:
Разрыв межмолекулярных связей в жидкости. Преодоление сил притяжения между молекулами. Увеличение потенциальной энергии молекул, переходящих в газообразное состояние.
4. Почему при ветре жара переносится легче?
При ветре ускоряется испарение пота, а испарение требует затрат энергии, которая забирается с поверхности кожи. Это приводит к её охлаждению, и человек ощущает меньшую жару.
5. Одинакова ли внутренняя энергия 1 кг воды и 1 кг пара при температуре 100 С?
Нет, внутренняя энергия 1 кг пара при 100°C больше, чем у 1 кг воды при 100°C.
Причина: при превращении воды в пар требуется дополнительная энергия (удельная теплота парообразования) для разрыва межмолекулярных связей и увеличения потенциальной энергии молекул. Поэтому водяной пар при той же температуре обладает большей внутренней энергией.
1. Пары серебра конденсируются при температуре 2466 К. Какое количество теплоты выделяется при конденсации 0.5 кг серебра? Удельная теплота парообразования серебра г = 2,34 МДж/кг.
Формула: Q = m * L
Где:
m = 0,5 кг – масса серебра, L = 2,34 МДж/кг = 2,34 * 10⁶ Дж/кг – удельная теплота парообразования серебра. Подставляем: Q = 0,5 * 2,34 * 10⁶ = 1,17 * 10⁶ Дж (1,17 МДж).
2. Организм человека в результате обменных процессов генерирует тепловую мощность 75 Вт. Постоянство температуры тела обеспечивается, в частности, испарением воды с поверхности кожи. Найдите массу воды, испаряющейся с поверхности кожи за 1 ч.
Мощность организма: P = 75 Вт = 75 Дж/с, Время испарения: t = 1 ч = 3600 с, Удельная теплота парообразования воды: L = 2,3 * 10⁶ Дж/кг. Общее количество выделенной теплоты: Q = P * t = 75 * 3600 = 270000 Дж.
Находим массу испарившейся воды: m = Q / L = 270000 / (2,3 * 10⁶) ≈ 0,117 кг = 117 г.
3. Для нагревания в электрочайнике некоторой массы воды от температуры t1 = 0 °С до кипения потребовался промежуток времени Δt1= 3 мин. На последующее обращение в пар этой же массы воды потребовалось время Δt2 = 16 мин 3 с. Найдите по этим данным удельную теплоту парообразования воды.
Формула: Q₁ = cmΔt, Q₂ = mL,
c = 4200 Дж/кг·°C – удельная теплоемкость воды, t₁ = 0°C, t₂ = 100°C, значит Δt = 100°C, Время нагрева: Δt₁ = 3 мин = 180 с, Время парообразования: Δt₂ = 16 мин 3 с = 963 с, Q₁/Q₂ = Δt₁/Δt₂. Выражаем L: L = c * Δt * (Δt₂ / Δt₁)
L = 4200 * 100 * (963 / 180) ≈ 2,247 * 10⁶ Дж/кг ≈ 2,25 МДж/кг.
4. Какое количество теплоты требуется для превращения 1 кг воды при t1 = 0 °С в пар при t2 = 100 °С?
Формула: Q = cmΔt + mL
c = 4200 Дж/кг·°C, Δt = 100°C, L = 2,3 * 10⁶ Дж/кг, m = 1 кг. Подставляем: Q = 1 * 4200 * 100 + 1 * 2,3 * 10⁶ Q = 420000 + 2,3 * 10⁶ Q = 2,72 * 10⁶ Дж (2,72 МДж).
5. В теплоизолированный сосуд, содержащий m1 = 100 г воды при температуре t1 = 10 °С, впускают водяной пар при температуре t2 = 110 °С Определите содержание вещества в сосуде после установления теплового равновесия При какой температуре установится тепловое равновесие, если масса пара m2 = 40 г? Удельная теплоемкость пара сп=1/2св=2,09кДж/(кг*К).
Дано: m₁ = 100 г = 0,1 кг – масса воды t₁ = 10 °C – начальная температура воды m₂ = 40 г = 0,04 кг – масса водяного пара t₂ = 110 °C – температура пара c₁ = 4180 Дж/(кг·К) – удельная теплоемкость воды c₂ = 2090 Дж/(кг·К) – удельная теплоемкость пара r = 2,34·10⁶ Дж/кг – удельная теплота парообразования воды
Тепло, выделяемое паром при охлаждении до 100 °C: Q_охл = c₂·m₂·(t₂ - 100) Q_охл = 2090·0,04·(110 - 100) Q_охл = 2090·0,04·10 Q_охл = 836 Дж
Тепло, выделяемое при конденсации всей массы пара: Q_конд = r·m₂ Q_конд = 2,34·10⁶·0,04 Q_конд = 93600 Дж
Тепло, необходимое для нагрева воды до 100 °C: Q_нагрев = c₁·m₁·(100 - t₁) Q_нагрев = 4180·0,1·(100 - 10) Q_нагрев = 4180·0,1·90 Q_нагрев = 3762 Дж
Сравним количества теплоты: Q_охл + Q_конд = 836 + 93600 = 94436 Дж Q_нагрев = 3762 Дж
Так как теплоты больше, чем нужно, температура равновесия составит 100 °C, и часть пара сконденсируется.
Масса сконденсировавшегося пара определяется по уравнению теплового баланса: r·Δm = Q_нагрев + Q_охл 2,34·10⁶·Δm = 3762 + 836 2,34·10⁶·Δm = 4598 Δm = 4598 / 2,34·10⁶ Δm ≈ 0,0158 кг = 15,8 г
Масса воды после равновесия: m₁ + Δm = 100 + 15,8 = 115,8 г
Масса пара после равновесия: m₂ - Δm = 40 - 15,8 = 24,2 г
Ответ: температура равновесия 100 °C. В сосуде останется 115,8 г воды и 24,2 г пара.