Вариант 4, страница 70 - гдз по физике 8 класс дидактические материалы Марон, Марон

Самостоятельные работы. СР-4. Плавление и отвердевание - страница 70.

Условие.

Вариант 4

1. С какой целью зимой при длительных остановках выливают воду из радиатора автомобиля?

2. Почему тонкая медная проволока плавится в пламени горелки, а толстый медный гвоздь даже не раскаляется докрасна?

3. Какое количество теплоты выделится при кристаллизации 150 г нафталина и охлаждении его до $20 \text{ °С}$? Начертите примерный график охлаждения и кристаллизации нафталина.

Решение.

1. Воду из радиатора автомобиля зимой при длительных остановках выливают для того, чтобы предотвратить его повреждение. Это связано с уникальным свойством воды: при замерзании она расширяется, увеличиваясь в объеме примерно на 9%. Когда вода в системе охлаждения автомобиля превращается в лед, ее расширение создает огромное давление на стенки радиатора и блока цилиндров двигателя. Это давление может привести к разрыву трубок радиатора или даже к появлению трещин в двигателе, что является очень серьезной и дорогостоящей поломкой. Чтобы избежать этого, воду сливали.

Стоит отметить, что в современных автомобилях вместо воды используются специальные охлаждающие жидкости — антифризы, которые имеют гораздо более низкую температуру замерзания (до -40 °C и ниже). Поэтому для современных автомобилей такая процедура, как правило, не требуется.

Ответ: Воду выливают, чтобы при замерзании расширяющийся лед не повредил радиатор и двигатель автомобиля.

2. Различие в поведении тонкой медной проволоки и толстого медного гвоздя в пламени горелки объясняется разницей в их массе, теплоемкости и условиях теплопередачи.

Тонкая медная проволока имеет очень малую массу и, соответственно, малую теплоемкость. Теплоты, которую сообщает ей пламя горелки, оказывается достаточно, чтобы быстро нагреть ее до температуры плавления меди (около 1083 °C).

Толстый медный гвоздь, напротив, имеет значительно большую массу и большую теплоемкость. Чтобы нагреть его до той же температуры, требуется гораздо большее количество теплоты. Кроме того, медь является очень хорошим проводником тепла. Тепло от пламени, попадающее на одну часть гвоздя, быстро распространяется по всему его объему за счет высокой теплопроводности. Также, из-за большой площади поверхности, гвоздь интенсивно отдает тепло в окружающую среду. В результате мощность горелки оказывается недостаточной, чтобы сообщить гвоздю столько тепла, чтобы его температура поднялась хотя бы до температуры красного каления (около 500-600 °C), не говоря уже о температуре плавления.

Ответ: Тонкая проволока имеет малую массу, и пламя горелки быстро нагревает ее до температуры плавления. Толстый гвоздь имеет большую массу и высокую теплопроводность, поэтому получаемое тепло быстро распределяется по всему объему и рассеивается в окружающую среду, не позволяя гвоздю сильно нагреться.

3. Дано:
$m = 150 \text{ г}$
$t_{конечная} = 20 \text{ °C}$
Температура кристаллизации нафталина, $t_{крист} = 80 \text{ °C}$
Удельная теплота кристаллизации нафталина, $\lambda = 1,5 \cdot 10^5 \text{ Дж/кг}$
Удельная теплоемкость твердого нафталина, $c = 1,7 \cdot 10^3 \ \mathrm{Дж/(кг\cdot °C)}$

$m = 150 \text{ г} = 0,15 \text{ кг}$

Найти:

$Q_{общ} - ?$

Решение:

Общее количество теплоты, которое выделится, складывается из двух процессов:

1. Выделение теплоты при кристаллизации нафталина (переход из жидкого состояния в твердое) при постоянной температуре $t_{крист}$. Это количество теплоты ($Q_1$) рассчитывается по формуле:
$Q_1 = \lambda \cdot m$

2. Выделение теплоты при охлаждении твердого нафталина от температуры кристаллизации $t_{крист}$ до конечной температуры $t_{конечная}$. Это количество теплоты ($Q_2$) рассчитывается по формуле:
$Q_2 = c \cdot m \cdot (t_{крист} - t_{конечная})$

Общее количество теплоты равно сумме теплоты от этих двух процессов:
$Q_{общ} = Q_1 + Q_2 = \lambda \cdot m + c \cdot m \cdot (t_{крист} - t_{конечная})$

Подставим числовые значения и произведем расчеты:

$Q_1 = 1,5 \cdot 10^5 \text{ Дж/кг} \cdot 0,15 \text{ кг} = 22500 \text{ Дж}$

$Q_2 = 1,7 \cdot 10^3 \ \mathrm{Дж/(кг\cdot °C)} \cdot 0,15 \text{ кг} \cdot (80 \text{ °C} - 20 \text{ °C}) = 255 \text{ Дж/°C} \cdot 60 \text{ °C} = 15300 \text{ Дж}$

$Q_{общ} = 22500 \text{ Дж} + 15300 \text{ Дж} = 37800 \text{ Дж}$

Переведем ответ в килоджоули: $37800 \text{ Дж} = 37,8 \text{ кДж}$.

Примерный график охлаждения и кристаллизации нафталина:

Ответ: При кристаллизации и охлаждении нафталина выделится 37800 Дж (или 37,8 кДж) теплоты.