Вариант 5, страница 71 - гдз по физике 8 класс дидактические материалы Марон, Марон

Самостоятельные работы. СР-4. Плавление и отвердевание - страница 71.

Условие.

Вариант 5

1. Почему тает снег на тротуаре, посыпанном солью?

2. Объясните, почему повышается температура воздуха при снегопаде и понижается во время ледохода.

3. Какое количество теплоты потребуется для плавления 24,5 кг алюминия, взятого при температуре 20 °C? Начертите примерный график нагревания и плавления алюминия.

Решение.

1. Почему тает снег на тротуаре, посыпанном солью?

Снег на тротуаре, посыпанном солью (обычно хлоридом натрия, $NaCl$, или хлоридом кальция, $CaCl_2$), тает даже при отрицательной температуре воздуха по следующей причине. На поверхности снега и льда всегда присутствует тонкий слой жидкой воды. Попадая в эту воду, соль растворяется, образуя соляной раствор (рассол). Температура замерзания этого раствора значительно ниже температуры замерзания чистой воды (0 °C). Например, 10%-ный раствор поваренной соли замерзает при температуре около -6 °C. Если температура окружающего воздуха выше точки замерзания образовавшегося раствора (например, -4 °C), то снег будет продолжать таять, контактируя с этим раствором. Теплота, необходимая для плавления, берется из окружающей среды (воздуха, земли), которая оказывается теплее, чем температура фазового перехода соляного раствора.

Ответ: Соль, растворяясь в воде на поверхности снега, образует раствор с температурой замерзания ниже 0 °C. Если температура воздуха выше этой новой температуры замерзания, снег начинает плавиться, поглощая тепло из окружающей среды.

2. Объясните, почему повышается температура воздуха при снегопаде и понижается во время ледохода.

Эти явления объясняются тепловыми эффектами фазовых переходов воды.

При снегопаде: Снежинки образуются в атмосфере в результате процесса кристаллизации – перехода воды из газообразного (водяной пар) или жидкого (переохлажденные капли) состояния в твердое (лед). Кристаллизация является экзотермическим процессом, то есть происходит с выделением энергии в виде теплоты (так называемой скрытой теплоты кристаллизации). Эта теплота поступает в окружающий воздух и нагревает его, поэтому во время снегопада часто наблюдается потепление.

Во время ледохода: Ледоход — это процесс таяния и движения льда на реках и озерах весной. Плавление льда — это фазовый переход из твердого состояния в жидкое. Этот процесс является эндотермическим, то есть для разрушения кристаллической решетки льда требуется большое количество энергии (теплоты плавления). Лед активно поглощает эту теплоту из окружающей среды — воздуха и воды. В результате интенсивного поглощения тепла температура воздуха вблизи тающего льда понижается.

Ответ: Температура воздуха при снегопаде повышается из-за выделения теплоты в процессе кристаллизации воды (образования снежинок), а во время ледохода понижается из-за поглощения теплоты из воздуха в процессе плавления льда.

3. Какое количество теплоты потребуется для плавления 24,5 кг алюминия, взятого при температуре 20 °C? Начертите примерный график нагревания и плавления алюминия.

Дано:

Масса алюминия, $m = 24,5 \text{ кг}$
Начальная температура алюминия, $t_1 = 20 \text{ °C}$
Удельная теплоемкость алюминия, $c = 920 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°C}}$
Температура плавления алюминия, $t_{пл} = 660 \text{ °C}$
Удельная теплота плавления алюминия, $\lambda = 3,9 \cdot 10^5 \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$

Все данные представлены в величинах, совместимых с системой СИ.

Найти:

Общее количество теплоты, $\text{Q}$ - ?

Решение:

Процесс состоит из двух этапов:

1. Нагревание твердого алюминия от начальной температуры $t_1$ до температуры плавления $t_{пл}$. Количество теплоты $Q_1$, необходимое для этого, рассчитывается по формуле:

$Q_1 = c \cdot m \cdot (t_{пл} - t_1)$

$Q_1 = 920 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°C}} \cdot 24,5 \text{ кг} \cdot (660 \text{ °C} - 20 \text{ °C}) = 22540 \cdot 640 = 14425600 \text{ Дж}$

2. Плавление алюминия при постоянной температуре $t_{пл}$. Количество теплоты $Q_2$, необходимое для этого, рассчитывается по формуле:

$Q_2 = \lambda \cdot m$

$Q_2 = 3,9 \cdot 10^5 \frac{\text{Дж}}{\text{кг}} \cdot 24,5 \text{ кг} = 9555000 \text{ Дж}$

Общее количество теплоты $\text{Q}$ равно сумме теплоты, затраченной на нагревание и плавление:

$Q = Q_1 + Q_2$

$Q = 14425600 \text{ Дж} + 9555000 \text{ Дж} = 23980600 \text{ Дж} \approx 2,4 \cdot 10^7 \text{ Дж} = 24 \text{ МДж}$

Примерный график нагревания и плавления алюминия:

На графике зависимость температуры $\text{T}$ от полученного количества теплоты $\text{Q}$.
- Первый участок — наклонная прямая, показывающая рост температуры алюминия от 20 °C до 660 °C по мере подвода тепла $Q_1$.
- Второй участок — горизонтальная прямая при температуре 660 °C, показывающая процесс плавления, в ходе которого температура не меняется, пока весь алюминий не расплавится. На это затрачивается теплота $Q_2$.

Ответ: Для плавления 24,5 кг алюминия потребуется 23 980 600 Дж (или примерно 24 МДж) теплоты.