Вариант 6, страница 71 - гдз по физике 8 класс дидактические материалы Марон, Марон

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

Условие.

Вариант 6

1. При спаивании стальных деталей иногда пользуются медным припоем. Почему нельзя паять медные детали стальным припоем?

2. Объясните, где сильнее стынут ноги: на заснеженном тротуаре или на тротуаре, посыпанном солью.

3. Какое количество теплоты выделят 15 кг воды, взятой при температуре $20 \text{ °C}$, превратившись в лёд при температуре $0 \text{ °C}$? Начертите примерный график охлаждения и кристаллизации воды.

Решение.

1. Основной принцип пайки заключается в том, что температура плавления припоя должна быть значительно ниже температуры плавления соединяемых деталей. Это позволяет расплавить припой, который заполнит зазор между деталями, не расплавляя и не деформируя сами детали.

Температура плавления стали (в зависимости от марки) составляет примерно 1400-1500 °C, в то время как температура плавления меди — около 1085 °C.

При спаивании стальных деталей медным припоем процесс проходит успешно, так как медь плавится при 1085 °C, а сталь при этой температуре остается твердой.

Если же попытаться паять медные детали стальным припоем, то для того, чтобы расплавить стальной припой, потребуется нагреть его до температуры выше 1400 °C. Однако при такой температуре медные детали, которые мы пытаемся соединить, уже давно расплавятся. Таким образом, соединить детали не получится.

Ответ: Нельзя паять медные детали стальным припоем, потому что температура плавления стали (припоя) значительно выше температуры плавления меди (деталей). При попытке расплавить стальной припой медные детали расплавятся раньше.

2. Ноги сильнее стынут на тротуаре, посыпанном солью. Это связано с процессом таяния снега.

На заснеженном тротуаре снег находится в твердом состоянии при температуре около 0 °C или ниже. Сухой снег содержит много воздуха, что делает его хорошим теплоизолятором.

Когда на снег посыпают соль, она растворяется в тонком слое воды на поверхности снежинок и образует солевой раствор, температура замерзания которого ниже 0 °C. Это заставляет снег и лед активно таять даже при отрицательной температуре.

Таяние — это фазовый переход из твердого состояния в жидкое, который требует поглощения большого количества теплоты из окружающей среды (скрытая теплота плавления). Эта теплота интенсивно отбирается от всего, с чем соприкасается тающая масса, в том числе и от подошв обуви. Кроме того, образовавшаяся ледяная каша (смесь воды, льда и соли) обладает большей теплопроводностью, чем сухой снег, что ускоряет отвод тепла от ног.

Ответ: Ноги сильнее стынут на тротуаре, посыпанном солью, так как процесс таяния снега, вызванный солью, является эндотермическим (идет с поглощением тепла) и активно отбирает тепло от ног.

3. Дано:

$m = 15 \, кг$
$t_{1} = 20 \, °C$
$t_{2} = 0 \, °C$
$c_{воды} = 4200 \, \frac{Дж}{кг \cdot °C}$ (удельная теплоемкость воды)
$\lambda = 3.3 \cdot 10^5 \, \frac{Дж}{кг}$ (удельная теплота плавления льда)

Найти:

$\text{Q}$ — ?

Решение:

Процесс превращения воды в лед состоит из двух этапов:

1. Охлаждение воды от начальной температуры $t_{1} = 20 \, °C$ до температуры кристаллизации $t_{2} = 0 \, °C$. Количество теплоты $Q_{1}$, выделившееся при этом, рассчитывается по формуле: $Q_{1} = c_{воды} \cdot m \cdot (t_{1} - t_{2})$

2. Кристаллизация (замерзание) воды при температуре $t_{2} = 0 \, °C$. Количество теплоты $Q_{2}$, выделившееся при этом, рассчитывается по формуле: $Q_{2} = \lambda \cdot m$

Общее количество выделившейся теплоты $\text{Q}$ равно сумме теплоты, выделившейся на каждом этапе: $Q = Q_{1} + Q_{2}$

Выполним вычисления:

$Q_{1} = 4200 \, \frac{Дж}{кг \cdot °C} \cdot 15 \, кг \cdot (20 \, °C - 0 \, °C) = 4200 \cdot 15 \cdot 20 = 1 \, 260 \, 000 \, Дж = 1.26 \, МДж$

$Q_{2} = 3.3 \cdot 10^5 \, \frac{Дж}{кг} \cdot 15 \, кг = 4 \, 950 \, 000 \, Дж = 4.95 \, МДж$

$Q = 1 \, 260 \, 000 \, Дж + 4 \, 950 \, 000 \, Дж = 6 \, 210 \, 000 \, Дж = 6.21 \, МДж$

Примерный график охлаждения и кристаллизации воды:

На графике показано, что сначала температура воды линейно уменьшается со временем (участок охлаждения), а затем, достигнув 0 °C, остается постоянной в течение некоторого времени, пока вся вода не превратится в лед (участок кристаллизации).

Ответ: Выделится 6.21 МДж теплоты.