Номер 13, страница 81, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Молекулярная физика и термодинамика. Глава VI. Термодинамика. Параграф 34. Изменения агрегатных состояний вещества - номер 13, страница 81.

Условие.

13. В калориметр с водой помещают кусок льда. Каким может быть состояние вещества, когда в калориметре установится тепловое равновесие? Какой будет конечная температура содержимого калориметра в каждом случае?

Решение 2.

При помещении льда в калориметр с водой происходит теплообмен, который продолжается до установления теплового равновесия. Итоговое состояние вещества и конечная температура зависят от начальных масс и температур воды и льда. Возможны три основных сценария:

1. В калориметре устанавливается состояние, в котором находится только вода.

Этот случай реализуется, если количество теплоты, которое отдает вода при своем охлаждении, достаточно для того, чтобы нагреть весь лед до температуры плавления ($0^\circ C$) и полностью его расплавить. После установления теплового равновесия все вещество в калориметре будет находиться в жидком агрегатном состоянии.

Конечная температура в этом случае будет больше или равна $0^\circ C$ ($t_{кон} \ge 0^\circ C$). Если количество теплоты, отданное водой, в точности равно количеству теплоты, необходимому для нагрева и полного плавления льда, то конечная температура будет равна $0^\circ C$. Если же после плавления всего льда у исходной воды остался "запас" теплоты, то вся система (уже полностью состоящая из воды) нагреется до некоторой температуры выше $0^\circ C$.

Ответ: Состояние вещества — вода; конечная температура $t_{кон} \ge 0^\circ C$.

2. В калориметре устанавливается состояние, в котором находится только лед.

Такой исход возможен, если масса льда велика и/или его начальная температура достаточно низка. В этом случае теплоты, отданной водой при охлаждении до $0^\circ C$ и последующем полном замерзании, может не хватить, чтобы нагреть весь лед до $0^\circ C$. Вся вода в калориметре замерзнет, и все вещество перейдет в твердое агрегатное состояние.

Конечная температура в этом случае будет меньше или равна $0^\circ C$ ($t_{кон} \le 0^\circ C$). Если "холода" льда (теплоты, которую он может поглотить при нагреве до $0^\circ C$) хватило ровно на то, чтобы охладить и полностью заморозить всю воду, то конечная температура составит $0^\circ C$. Если же "холод" был в избытке, то вся система, превратившись в лед, охладится до температуры ниже $0^\circ C$.

Ответ: Состояние вещества — лед; конечная температура $t_{кон} \le 0^\circ C$.

3. В калориметре устанавливается состояние, в котором находится смесь воды и льда.

Это промежуточный случай. Он наступает тогда, когда тепла, отданного водой при охлаждении до $0^\circ C$, недостаточно, чтобы растопить весь лед (который к этому моменту уже нагрелся до $0^\circ C$). Или, наоборот, когда "холода" льда недостаточно, чтобы заморозить всю воду (которая охладилась до $0^\circ C$). В результате в калориметре устанавливается равновесие, при котором сосуществуют и жидкая, и твердая фазы вещества.

Термодинамическое равновесие между водой и льдом при нормальном атмосферном давлении возможно только при одной температуре — температуре фазового перехода.

Ответ: Состояние вещества — смесь воды и льда; конечная температура $t_{кон} = 0^\circ C$.