• Предмет: Физика
  • Автор: desumusasa
  • Вопрос задан 6 месяцев назад

В сосуд, содержащий воду массой mв = 200 г при температуре t1 = 10 ∘C, бросили кусок льда с вмерзшей в него железной деталью, имеющий суммарный объем V = 125 см3 и температуру t2 = 0 ∘C. После того как сосуду сообщили количество теплоты Q = 49.0 кДж, температура его содержимого оказалась равной t3 = 20 ∘C. Найдите массу детали mд. Теплоемкостью сосуда и потерями теплоты можно пренебречь. Удельная теплоемкость воды cв = 4.2 Дж/(г⋅∘С), удельная теплота плавления льда λ = 334 Дж/г, плотность льда ρл = 0.9 г/см3, удельная теплоемкость железа
cж = 0.46 Дж/(г⋅∘С), плотность железа ρж = 7.8 г/см3.

Ответы

Ответ дал: Пришелец13
3

Дано:

mв = 200 г

t1 = 10 °C

V = 125 см³

t2 = 0 °C

Q = 49 кДж = 49*10³ Дж

t3 = 20 °C

cв = 4,2 Дж/(г* °С)

λ = 334 Дж/г

ρл = 0,9 г/см³

сж = 0,46 Дж/(г* °С)

ρж = 7,8 г/см³

mж - ?

Решение:

Теплота, которую сообщили, пошла на расплавление льда, нагрев воды, в которую превратился лёд, нагрев воды, которая уже была в сосуде, и нагрев детали. Уравнение теплового баланса будет таким:

Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4, где:

Q1 - теплота на расплавку

Q2 - теплота на нагрев воды (бывший лёд)

Q3 - теплота на нагрев воды

Q4 - теплота на нагрев детали

Q1 = λ*mл

Q2 = cв*mв'*(t3 - t2), где mв' - масса воды (бывшего льда)

Q3 = cв*mв*(t3 - t1)

Q4 = cж*mж*(t3 - t2)

Массу льда (которая равна массе воды mв') выразим через суммарный объём следующим образом:

V = Vл + Vж = mл/ρл + mж/ρж

mл/ρл = V - mж/ρж

mл = mв' = ρл*(V - mж/ρж)

Тогда:

Q1 = λ*mл = Q1 = λ*ρл*(V - mж/ρж)

Q2 = cв*mв'*(t3 - t2) = cв*ρл*(V - mж/ρж)*(t3 - t2)

Подставляем всё в уравнение теплового баланса:

Q = λ*ρл*(V - mж/ρж) + cв*ρл*(V - mж/ρж)*(t3 - t2) + cв*mв*(t3 - t1) + cж*mж*(t3 - t2)

Раскрываем скобки, где содержится масса детали mж:

Q = λ*ρл*V - λ*ρл*mж/ρж + (cв*ρл*V - cв*ρл*mж/ρж)*(t3 - t2) + cв*mв*(t3 - t1) + cж*mж*(t3 - t2)

Q = λ*ρл*V - λ*ρл*mж/ρж + (cв*ρл*V - cв*ρл*mж/ρж + cж*mж)*(t3 - t2) + cв*mв*(t3 - t1)

Соберём все слагаемые, где содержится mж, слева:

(cв*ρл*V - cв*ρл*mж/ρж + cж*mж)*(t3 - t2) - λ*ρл*mж/ρж = Q - λ*ρл*V - cв*mв*(t3 - t1)

Умножим обе части уравнения на 1/(t3 - t2):

cв*ρл*V - cв*ρл*mж/ρж + cж*mж - (1/(t3 - t2))*λ*ρл*mж/ρж = 1/(t3 - t2) * (Q - λ*ρл*V - cв*mв*(t3 - t1))

Слева вынесем за скобки mж:

mж*(сж - св*ρл/ρж - λ*ρл/(ρж*(t3 - t2))) + cв*ρл*V = (Q - λ*ρл*V - cв*mв*(t3 - t1))/(t3 - t2)

Перенесём второе слагаемое из левой части уравнения в правую:

mж*(сж - св*ρл/ρж - λ*ρл/(ρж*(t3 - t2))) = (Q - λ*ρл*V - cв*mв*(t3 - t1))/(t3 - t2) - cв*ρл*V

И, наконец, выразим массу детали, поделив обе части уравнения на выражение в скобке слева:

mж = [ (Q - λ*ρл*V - cв*mв*(t3 - t1))/(t3 - t2) - cв*ρл*V ] / (сж - св*ρл/ρж - λ*ρл/(ρж*(t3 - t2))) =

= [ (49*10³ - 334*0,9*125 - 4,2*200*(20 - 10))/(20 - 0) - 4,2*0,9*125 ] / (0,46 - 4,2*0,9/7,8 - 334*0,9/(7,8*(20 - 0))) =

= [ (49000 - 334*0,9*125 - 4,2*200*20)/20 - 4,2*0,9*125 ] / (0,46 - 4,2*0,9/7,8 - 334*0,9/(7,8*20)) =

= 164,6137... = 164,6 г

Ответ: 164,6 г.


desumusasa: Спасибо большое!
Вас заинтересует