Какое количество теплоты отдаёт вода, когда охлаждается до 0 °С, и как это связано с изменением состояния льда, если в калориметре находится 2,3 кг льда и добавлено 100 г воды при температуре 20 °С, а после достижения теплового равновесия в калориметре остался только лёд при температуре –5 °С? Также, какова начальная температура льда?

Физика 11 класс Теплота и изменение состояния вещества Количество теплоты охлаждение воды изменение состояния льда калориметр температура льда тепловое равновесие масса воды температура воды физика 11 класс задачи по физике Новый

Чтобы решить задачу, давайте разберем все шаги по порядку.

Шаг 1: Определение начальных условий.

• У нас есть 2,3 кг льда при начальной температуре 0 °C (это важно, так как лед при температуре ниже 0 °C не может быть в этом состоянии).
• Добавлено 100 г воды (0,1 кг) при температуре 20 °C.
• После достижения теплового равновесия в калориметре остался только лёд при температуре –5 °C.

Шаг 2: Определение количества теплоты, отдаваемого водой.

Когда вода при температуре 20 °C отдает тепло, она охлаждается до 0 °C, а затем, если бы лед не находился в калориметре, она бы замерзла. Но в нашем случае лед остался при температуре -5 °C.

Количество теплоты, которое теряет вода при охлаждении от 20 °C до 0 °C, можно вычислить по формуле:

Q = mcΔT

• m = 0,1 кг (масса воды)
• c = 4200 Дж/(кг·°C) (удельная теплоемкость воды)
• ΔT = 20 °C - 0 °C = 20 °C (изменение температуры)

Теперь подставим значения:

Q = 0,1 * 4200 * 20 = 8400 Дж

Шаг 3: Количество теплоты, необходимое для нагрева льда до 0 °C.

Лед при температуре -5 °C должен нагреться до 0 °C. Количество теплоты, необходимое для этого, можно вычислить по той же формуле:

Q = mcΔT

• m = 2,3 кг (масса льда)
• c = 2100 Дж/(кг·°C) (удельная теплоемкость льда)
• ΔT = 0 °C - (-5 °C) = 5 °C

Теперь подставим значения:

Q = 2,3 * 2100 * 5 = 24150 Дж

Шаг 4: Учет тепла, необходимого для плавления льда.

После того как лед нагреется до 0 °C, нам нужно учесть количество теплоты, необходимое для его плавления. Лед плавится при 0 °C, и для этого нам нужно использовать удельную теплоту плавления:

Q = mL

• L = 334000 Дж/кг (удельная теплота плавления льда)

Подставим значения:

Q = 2,3 * 334000 = 767200 Дж

Шаг 5: Сравнение теплоты.

Теперь сравним количество теплоты, которое отдает вода, и количество теплоты, необходимое для нагрева и плавления льда:

• Количество теплоты, отданное водой: 8400 Дж
• Количество теплоты, необходимое для нагрева льда до 0 °C: 24150 Дж
• Количество теплоты, необходимое для плавления льда: 767200 Дж

Таким образом, вода не сможет передать достаточное количество теплоты, чтобы полностью расплавить лед, и в результате в калориметре останется только лед.

Шаг 6: Начальная температура льда.

Мы предположили, что лед находится при 0 °C. Однако в задаче указано, что после достижения теплового равновесия лед остался при -5 °C. Это означает, что начальная температура льда была ниже 0 °C, но точное значение не указано в условии задачи.

Таким образом, ответ на вопрос о количестве теплоты, отдаваемом водой, составляет 8400 Дж, и начальная температура льда была ниже 0 °C, но точно ее определить нельзя без дополнительной информации.