Номер 6, страница 78 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

6. Изобразите график охлаждения глицерина, нагретого до температуры $300 \text{ °C}$. Температура окружающей среды составляет $15 \text{ °C}$. Обозначьте буквами все участки на графике. Охарактеризуйте на основе МКТ движение и взаимодействие молекул на каждом участке. Сравните количество теплоты, выделившееся на каждом участке, для 1 кг глицерина.

Изобразите график охлаждения глицерина, нагретого до температуры 300 °С. Температура окружающей среды составляет 15 °С. Обозначьте буквами все участки на графике.

Процесс охлаждения глицерина от 300 °С до 15 °С включает в себя несколько этапов: охлаждение газа, конденсацию, охлаждение жидкости, кристаллизацию (затвердевание) и охлаждение твердого тела. График зависимости температуры T от времени t будет представлять собой ломаную линию, состоящую из пяти участков.

Оси графика: вертикальная ось – температура T в °С, горизонтальная ось – время t.

Для построения графика используем следующие справочные данные для глицерина:

• Температура кипения (конденсации): $T_{кип} = 290$ °С.
• Температура плавления (кристаллизации): $T_{пл} = 18$ °С.

Участки на графике:

• Участок AB: Охлаждение газообразного глицерина от начальной температуры $T_{нач} = 300$ °С до температуры конденсации $T_{кип} = 290$ °С. На графике это наклонный отрезок, идущий вниз.
• Участок BC: Конденсация глицерина. Процесс происходит при постоянной температуре $T_{кип} = 290$ °С. На графике это горизонтальный отрезок. В течение этого времени газообразный глицерин превращается в жидкий.
• Участок CD: Охлаждение жидкого глицерина от $T_{кип} = 290$ °С до температуры кристаллизации $T_{пл} = 18$ °С. На графике это снова наклонный отрезок, идущий вниз.
• Участок DE: Кристаллизация (затвердевание) глицерина. Процесс происходит при постоянной температуре $T_{пл} = 18$ °С. На графике это второй горизонтальный отрезок. Вся жидкость превращается в твердое тело.
• Участок EF: Охлаждение твердого глицерина от $T_{пл} = 18$ °С до температуры окружающей среды $T_{окр} = 15$ °С. На графике это последний наклонный отрезок, идущий вниз до температуры 15 °С.

Ответ: График охлаждения глицерина от 300 °С до 15 °С представляет собой ломаную линию, состоящую из пяти участков: АВ (охлаждение газа 300-290 °С), ВС (конденсация при 290 °С), CD (охлаждение жидкости 290-18 °С), DE (кристаллизация при 18 °С) и EF (охлаждение твердого тела 18-15 °С). Участки конденсации и кристаллизации являются горизонтальными плато.

Охарактеризуйте на основе МКТ движение и взаимодействие молекул на каждом участке.

Участок AB (охлаждение газа): Глицерин находится в газообразном состоянии. Молекулы движутся хаотично и с большими скоростями, расстояния между ними велики по сравнению с размерами самих молекул. Силы межмолекулярного взаимодействия пренебрежимо малы. При охлаждении средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул уменьшается, что приводит к снижению их скорости и, следовательно, к понижению температуры.

Участок BC (конденсация): Температура газа постоянна, поэтому средняя кинетическая энергия молекул не меняется. При отводе теплоты молекулы газа сближаются и переходят в жидкое состояние. При этом силы межмолекулярного притяжения совершают работу, в результате чего потенциальная энергия взаимодействия молекул значительно уменьшается. Выделяющаяся при этом энергия (теплота конденсации) отводится в окружающую среду.

Участок CD (охлаждение жидкости): Глицерин находится в жидком состоянии. Молекулы расположены близко друг к другу, силы взаимодействия значительны. Молекулы совершают колебательные движения около положений равновесия и совершают "перескоки" в соседние вакантные места. При охлаждении средняя кинетическая энергия молекул (интенсивность их колебаний и скорость перемещения) уменьшается, что приводит к понижению температуры жидкости.

Участок DE (кристаллизация): Температура жидкости постоянна, средняя кинетическая энергия молекул не изменяется. При отводе теплоты молекулы выстраиваются в упорядоченную структуру – кристаллическую решетку. Потенциальная энергия взаимодействия молекул уменьшается, так как они занимают положения с минимальной энергией. Выделяющаяся при этом энергия (теплота кристаллизации) отводится в окружающую среду.

Участок EF (охлаждение твердого тела): Глицерин находится в твердом состоянии. Молекулы (или атомы) зафиксированы в узлах кристаллической решетки и совершают колебательные движения около своих положений равновесия. При охлаждении амплитуда и, следовательно, энергия этих колебаний уменьшаются, что приводит к понижению температуры твердого тела.

Ответ: Характер движения и взаимодействия молекул изменяется при каждом фазовом переходе и при изменении температуры, что и определяет этапы на графике охлаждения. При охлаждении уменьшается кинетическая энергия молекул, а при фазовых переходах (конденсация, кристаллизация) уменьшается их потенциальная энергия.

Сравните количество теплоты, выделившееся на каждом участке, для 1 кг глицерина.

Дано:

Масса глицерина, $m = 1$ кг

Начальная температура, $T_{нач} = 300$ °С

Температура кипения, $T_{кип} = 290$ °С

Температура плавления, $T_{пл} = 18$ °С

Конечная температура, $T_{кон} = 15$ °С

Справочные данные:

Удельная теплоемкость газообразного глицерина, $c_{газ} = 1760 \frac{Дж}{кг \cdot °С}$

Удельная теплота парообразования (конденсации), $L = 854000 \frac{Дж}{кг}$

Удельная теплоемкость жидкого глицерина, $c_{жид} = 2430 \frac{Дж}{кг \cdot °С}$

Удельная теплота плавления (кристаллизации), $\lambda = 198700 \frac{Дж}{кг}$

Удельная теплоемкость твердого глицерина, $c_{тв} = 1510 \frac{Дж}{кг \cdot °С}$

Все данные, кроме температуры, представлены в системе СИ. Для расчетов изменения температуры $\Delta T$ можно использовать шкалу Цельсия, так как $\Delta T(°C) = \Delta T(K)$.

Найти:

Количества теплоты $Q_{AB}, Q_{BC}, Q_{CD}, Q_{DE}, Q_{EF}$ и сравнить их.

Решение:

Расчет количества теплоты, выделившегося на каждом участке, производится по следующим формулам:

- для охлаждения: $Q = c \cdot m \cdot \Delta T$

- для фазового перехода: $Q = L \cdot m$ или $Q = \lambda \cdot m$

1. Участок AB (охлаждение газа от 300 °С до 290 °С):

$Q_{AB} = c_{газ} \cdot m \cdot (T_{нач} - T_{кип})$

$Q_{AB} = 1760 \frac{Дж}{кг \cdot °С} \cdot 1 кг \cdot (300 °С - 290 °С) = 1760 \cdot 10 = 17600$ Дж = 17,6 кДж.

2. Участок BC (конденсация при 290 °С):

$Q_{BC} = L \cdot m$

$Q_{BC} = 854000 \frac{Дж}{кг} \cdot 1 кг = 854000$ Дж = 854 кДж.

3. Участок CD (охлаждение жидкости от 290 °С до 18 °С):

$Q_{CD} = c_{жид} \cdot m \cdot (T_{кип} - T_{пл})$

$Q_{CD} = 2430 \frac{Дж}{кг \cdot °С} \cdot 1 кг \cdot (290 °С - 18 °С) = 2430 \cdot 272 = 660960$ Дж = 661 кДж.

4. Участок DE (кристаллизация при 18 °С):

$Q_{DE} = \lambda \cdot m$

$Q_{DE} = 198700 \frac{Дж}{кг} \cdot 1 кг = 198700$ Дж = 198,7 кДж.

5. Участок EF (охлаждение твердого тела от 18 °С до 15 °С):

$Q_{EF} = c_{тв} \cdot m \cdot (T_{пл} - T_{кон})$

$Q_{EF} = 1510 \frac{Дж}{кг \cdot °С} \cdot 1 кг \cdot (18 °С - 15 °С) = 1510 \cdot 3 = 4530$ Дж = 4,53 кДж.

Сравним полученные значения:

$Q_{AB} = 17,6$ кДж

$Q_{BC} = 854$ кДж

$Q_{CD} \approx 661$ кДж

$Q_{DE} = 198,7$ кДж

$Q_{EF} \approx 4,5$ кДж

Расположив их в порядке убывания, получаем:

$Q_{BC} > Q_{CD} > Q_{DE} > Q_{AB} > Q_{EF}$

Ответ: Наибольшее количество теплоты выделяется при конденсации глицерина ($Q_{BC} = 854$ кДж), а наименьшее — при охлаждении твердого глицерина ($Q_{EF} \approx 4,5$ кДж). Сравнение количеств теплоты, выделившихся на каждом участке, в порядке убывания: $Q_{конденсации} > Q_{охл.жидкости} > Q_{кристаллизации} > Q_{охл.газа} > Q_{охл.тв.тела}$.