В стальном калориметре массой 500 г находится 400 мл воды при температуре 20°С. В него опускают нагревательный элемент, состоящий из медной проволоки с сопротивлением 40 Ом, и включают его в сеть с напряжением 220 В. КПД нагревателя 60%. Какое время потребуется, чтобы вода в калориметре нагрелась до температуры 50°С?

Физика Колледж Тепловые явления и калориметрия калориметр нагревательный элемент медная проволока сопротивление КПД нагревателя время нагрева температура воды физика 12 класс задачи по физике электрическая энергия Новый

Для решения данной задачи необходимо рассмотреть несколько этапов. Мы будем использовать формулы для расчета тепла, необходимого для нагрева воды, и мощности нагревателя.

Шаг 1: Рассчитаем количество тепла, необходимое для нагрева воды.

• Объем воды V = 400 мл = 0,4 л (поскольку 1 л = 1000 мл).
• Плотность воды ρ = 1 г/мл, следовательно, масса воды m = V * ρ = 0,4 кг (или 400 г).
• Температура воды изменяется от 20°С до 50°С, то есть ΔT = 50°С - 20°С = 30°С.
• Удельная теплоемкость воды c = 4,18 Дж/(г·°С) = 4180 Дж/(кг·°С).

Теперь можем рассчитать количество тепла Q, необходимое для нагрева воды:

Q = m * c * ΔT = 0,4 кг * 4180 Дж/(кг·°С) * 30°С = 50280 Дж.

Шаг 2: Рассчитаем мощность нагревателя.

• Сопротивление медной проволоки R = 40 Ом.
• Напряжение U = 220 В.
• Сначала найдем мощность P, которую выдает нагреватель без учета КПД:
• P = U^2 / R = 220^2 / 40 = 1210 Вт.
• Учитывая КПД нагревателя (60% или 0,6), реальная мощность P_real = P * КПД = 1210 Вт * 0,6 = 726 Вт.

Шаг 3: Рассчитаем время, необходимое для нагрева воды.

• Используем формулу для времени t: t = Q / P_real.
• Подставляем значения: t = 50280 Дж / 726 Вт ≈ 69,1 секунды.

Ответ: Время, необходимое для нагрева воды в калориметре до 50°С, составляет примерно 69 секунд.