Номер 3, страница 86 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

3. Назовите процессы, которые надо осуществить, чтобы: а) воду, взятую при температуре 20 °С, превратить в пар, имеющий температуру 120 °С; б) эфир, взятый при температуре 125 °С, охладить до температуры 20 °С. (Атмосферное давление нормальное.)

Для каждого случая постройте примерный график зависимости температуры вещества от количества теплоты, полученного от нагревателя или отданного окружающим телам.

а) воду, взятую при температуре 20 °С, превратить в пар, имеющий температуру 120 °С

Дано:

Начальная температура воды: $t_{1} = 20^\circ \text{С}$

Конечная температура пара: $t_{3} = 120^\circ \text{С}$

Давление: нормальное атмосферное

Температура кипения воды при нормальном давлении: $t_{кип} = 100^\circ \text{С}$

Найти:

Последовательность процессов, необходимых для данного превращения, и построить примерный график зависимости температуры от количества полученной теплоты.

Решение:

Чтобы превратить воду при $20^\circ \text{С}$ в пар при $120^\circ \text{С}$, необходимо последовательно совершить три процесса, каждый из которых требует подвода теплоты к веществу.

1. Нагревание воды. Сначала воду массой $m$ необходимо нагреть от начальной температуры $t_1 = 20^\circ \text{С}$ до температуры кипения $t_{кип} = 100^\circ \text{С}$. Количество теплоты, необходимое для этого, рассчитывается по формуле: $Q_1 = c_{воды} \cdot m \cdot (t_{кип} - t_1)$, где $c_{воды}$ - удельная теплоемкость воды. На графике этот процесс изображается наклонным участком, так как температура растет с увеличением полученной теплоты.

2. Парообразование (кипение). Когда вода достигнет температуры кипения, начнется процесс превращения ее в пар. Этот процесс происходит при постоянной температуре $t_{кип} = 100^\circ \text{С}$ до тех пор, пока вся вода не испарится. Количество теплоты, необходимое для парообразования, равно: $Q_2 = L \cdot m$, где $L$ - удельная теплота парообразования воды. На графике этот фазовый переход изображается горизонтальным участком.

3. Нагревание пара. После того как вся вода превратилась в пар при $100^\circ \text{С}$, его необходимо нагреть до конечной температуры $t_3 = 120^\circ \text{С}$. Количество теплоты для этого процесса: $Q_3 = c_{пара} \cdot m \cdot (t_3 - t_{кип})$, где $c_{пара}$ - удельная теплоемкость водяного пара. На графике это снова наклонный участок. Так как удельная теплоемкость пара меньше удельной теплоемкости воды ($c_{пара} < c_{воды}$), для повышения температуры пара на один градус требуется меньше теплоты, чем для воды. Поэтому этот участок графика будет иметь больший наклон (будет круче), чем первый.

Примерный график зависимости температуры от полученного количества теплоты:

Ответ: Необходимо осуществить три последовательных процесса: 1) нагревание воды от 20 °С до 100 °С; 2) кипение воды при постоянной температуре 100 °С до полного превращения в пар; 3) нагревание полученного пара от 100 °С до 120 °С.

б) эфир, взятый при температуре 125 °С, охладить до температуры 20 °С

Дано:

Начальная температура паров эфира: $t_{1} = 125^\circ \text{С}$

Конечная температура жидкого эфира: $t_{3} = 20^\circ \text{С}$

Давление: нормальное атмосферное

Температура кипения (конденсации) диэтилового эфира при нормальном давлении: $t_{конд} \approx 35^\circ \text{С}$

Найти:

Последовательность процессов, необходимых для данного превращения, и построить примерный график зависимости температуры от количества отданной теплоты.

Решение:

Для охлаждения паров эфира от $125^\circ \text{С}$ до жидкого состояния при $20^\circ \text{С}$ необходимо последовательно отводить тепло от вещества, совершая три процесса.

1. Охлаждение паров эфира. Сначала необходимо охладить пары эфира массой $m$ от начальной температуры $t_1 = 125^\circ \text{С}$ до температуры конденсации $t_{конд} \approx 35^\circ \text{С}$. Количество теплоты, которое при этом выделится, равно: $Q_1 = c_{пара} \cdot m \cdot (t_1 - t_{конд})$, где $c_{пара}$ - удельная теплоемкость паров эфира. На графике этот процесс изображается наклонным участком, показывающим падение температуры по мере отвода теплоты.

2. Конденсация. При достижении температуры $t_{конд}$ пары эфира начинают конденсироваться, превращаясь в жидкость. Этот процесс происходит при постоянной температуре до тех пор, пока весь пар не сконденсируется. Количество выделившейся теплоты: $Q_2 = L \cdot m$, где $L$ - удельная теплота парообразования (и конденсации) эфира. На графике этот фазовый переход изображается горизонтальным участком.

3. Охлаждение жидкости. После полной конденсации жидкий эфир при температуре $35^\circ \text{С}$ продолжает охлаждаться до конечной температуры $t_3 = 20^\circ \text{С}$. Выделившееся количество теплоты: $Q_3 = c_{жидкости} \cdot m \cdot (t_{конд} - t_3)$, где $c_{жидкости}$ - удельная теплоемкость жидкого эфира. На графике это снова наклонный участок, показывающий дальнейшее понижение температуры.

Примерный график зависимости температуры от отданного количества теплоты:

Ответ: Необходимо осуществить три последовательных процесса: 1) охлаждение паров эфира от 125 °С до температуры конденсации (около 35 °С); 2) конденсация эфира при постоянной температуре ~35 °С до полного превращения в жидкость; 3) охлаждение жидкого эфира от ~35 °С до 20 °С.