Нужно составить задачу, в которой представлены процессы фазового перехода (такие как конденсация, плавление, и кипение

Los_2337

20

Конечно! Давайте представим ситуацию, когда мы изучаем фазовые переходы для вещества - воды. Вот задача, в которой показаны три процесса фазовых переходов: плавление, кипение и конденсация.

Задача: Допустим, у вас есть 100 г льда при температуре -10 °C. Что произойдет с веществом при нагревании до комнатной температуры, составляющей 25 °C? Определите массу воды в каждой фазе и количество теплоты, необходимой для каждого процесса фазового перехода.

Решение:

Шаг 1: Плавление льда до температуры плавления (0 °C).
Вода превращается из твердого состояния (льда) в жидкое состояние при заданной температуре. Для этого используется формула:

\[Q = m \cdot L_f\]

где Q обозначает количество теплоты, m - массу вещества, а \(L_f\) - удельную теплоту плавления.

Удельная теплота плавления для льда составляет \(334 \, \text{Дж/г}\). Подставим значение массы льда (100 г) и удельной теплоты плавления в формулу:

\[Q_1 = 100 \, \text{г} \cdot 334 \, \text{Дж/г} = 33400 \, \text{Дж}\]

Таким образом, для плавления льда требуется 33400 Дж.

Шаг 2: Нагревание воды от температуры плавления (0 °C) до температуры кипения (100 °C).
Теперь вода находится в жидком состоянии и ее нужно нагреть до температуры кипения. Для этого используется формула:

\[Q = m \cdot C \cdot \Delta T\]

где C обозначает удельную теплоемкость воды, а \(\Delta T\) - изменение температуры.

Удельная теплоемкость воды составляет около \(4.18 \, \text{Дж/(г} \cdot ^\circ \text{C)}\). Таким образом, подставим значение массы воды (100 г), удельной теплоемкости и изменение температуры (100 °C - 0 °C = 100 °C) в формулу:

\[Q_2 = 100 \, \text{г} \cdot 4.18 \, \text{Дж/(г} \cdot ^\circ \text{C)} \cdot 100 \, ^\circ \text{C} = 41800 \, \text{Дж}\]

Таким образом, для нагревания воды требуется 41800 Дж.

Шаг 3: Кипение воды при температуре кипения (100 °C).
Когда вода достигает температуры кипения, она начинает превращаться в пар, при этом определенное количество теплоты переходит в водяной пар. Для этого используется формула:

\[Q = m \cdot L_v\]

где Q обозначает количество теплоты, m - массу вещества, а \(L_v\) - удельную теплоту парообразования.

Удельная теплота парообразования для воды составляет \(2260 \, \text{Дж/г}\). Подставим значение массы воды (100 г) и удельной теплоты парообразования в формулу:

\[Q_3 = 100 \, \text{г} \cdot 2260 \, \text{Дж/г} = 226000 \, \text{Дж}\]

Таким образом, для кипения воды требуется 226000 Дж.

Суммируем все три этапа:

Общая теплота, необходимая для процесса фазовых переходов:

\[Q_{\text{общая}} = Q_1 + Q_2 + Q_3 = 33400 \, \text{Дж} + 41800 \, \text{Дж} + 226000 \, \text{Дж} = 301200 \, \text{Дж}\]

Масса воды в каждой фазе:
- Лед: 0 г (весь лед плавится в жидкую фазу)
- Вода: 100 г (масса остается неизменной в этой фазе)
- Пар: 100 г (вся жидкая вода переходит в пар)

Таким образом, после всех фазовых переходов мы имеем 100 г воды в жидкой фазе и 100 г водяного пара.

Надеюсь, этот пошаговый анализ помог вам лучше понять процессы фазовых переходов воды.