Номер 3, страница 14 - гдз по физике 8 класс самостоятельные работы Генденштейн, Орлов

Самостоятельная работа 2. Энергия топлива. Изменение агрегатного состояния вещества. Вариант 3 - номер 3, страница 14.

Условие.

3*. Какой была бы температура в калориметре, если бы масса льда была больше найденной?

Решение.

Решение

Рассмотрим процесс теплообмена в калориметре как в изолированной системе. В калориметре находится вода при некоторой начальной температуре $t_в > 0\,^{\circ}\mathrm{C}$, в которую добавляют лед с массой $m_л$ и начальной температурой $t_л \le 0\,^{\circ}\mathrm{C}$. Происходит теплообмен: теплая вода отдает теплоту, а лед ее поглощает до тех пор, пока система не придет в состояние теплового равновесия с некоторой конечной температурой $t_{кон}$.

Количество теплоты, которое поглощает лед, идет на его нагревание до температуры плавления ($0\,^{\circ}\mathrm{C}$), затем на само плавление, и далее на нагревание образовавшейся из льда воды до конечной температуры $t_{кон}$. Чем больше масса льда $m_л$, тем большее количество теплоты $Q_{погл}$ потребуется для этих процессов.

Эта теплота ($Q_{погл}$) забирается у более теплой воды в калориметре, которая при этом охлаждается, отдавая теплоту $Q_{отд}$. Согласно закону сохранения энергии (уравнению теплового баланса), $Q_{отд} = Q_{погл}$.

Если увеличить массу льда ($m_л$), то для достижения равновесия потребуется поглотить большее количество теплоты. Следовательно, теплая вода должна будет отдать больше теплоты, то есть охладиться до более низкой температуры. Таким образом, конечная температура в калориметре $t_{кон}$ понизится.

Рассмотрим возможные сценарии:

1. Если конечная температура в исходной задаче была $t_{кон} > 0\,^{\circ}\mathrm{C}$, это значит, что вся "найденная" масса льда растаяла. Увеличение массы льда приведет к тому, что новая конечная температура $t'_{кон}$ будет ниже: $t'_{кон} < t_{кон}$.

2. Температура не может опускаться бесконечно. Понижение температуры ограничено температурой фазового перехода — $0\,^{\circ}\mathrm{C}$. Если добавить столько льда, что для его плавления потребуется больше теплоты, чем может отдать вода при охлаждении до $0\,^{\circ}\mathrm{C}$, то не весь лед растает. В калориметре установится температура $0\,^{\circ}\mathrm{C}$, и будет находиться смесь воды и льда.

3. Если конечная температура в исходной задаче уже была $0\,^{\circ}\mathrm{C}$, это означает, что "найденная" масса льда уже была достаточно велика. Дальнейшее увеличение массы льда не изменит конечную температуру — она так и останется $0\,^{\circ}\mathrm{C}$. Просто увеличится масса нерастаявшего льда.

Ответ: Если бы масса льда была больше найденной, конечная температура в калориметре понизилась бы или осталась равной $0\,^{\circ}\mathrm{C}$. Если в первоначальном расчете конечная температура была выше $0\,^{\circ}\mathrm{C}$, то она бы понизилась. При достаточно большой массе льда температура достигла бы $0\,^{\circ}\mathrm{C}$ (и часть льда могла бы не растаять). Если же конечная температура изначально была $0\,^{\circ}\mathrm{C}$, то она бы такой и осталась, просто большая часть льда осталась бы в твердом состоянии.