ДАНО И РЕШЕНИЕ 2. В сосуд содержащий массу г воды при температуре , погружают массу г льда, имеющего температуру . Какую температуру будет иметь содержимое сосуда после того, как установится тепловое равновесие? Удельная теплоемкость воды равна 4200 Дж/кг·К, удельная теплоемкость льда равна 2100 Дж/кг·К и удельная теплота плавления льда λ=3,4·105 Дж/кг.
Для описания этих изменений вводят функцию состояния - внутреннюю энергию U и две функции перехода - теплоту Q и работу A. Математическая формулировка первого закона:
dU = Q - A (дифференциальная форма) (2.1)
U = Q - A (интегральная форма) (2.2)
Буква в уравнении (2.1) отражает тот факт, что Q и A - функции перехода и их бесконечно малое изменение не является полным дифференциалом.
В уравнениях (2.1) и (2.2) знаки теплоты и работы выбраны следующим образом. Теплота считается положительной, если она передается системе. Напротив, работа считается положительной, если она совершается системой над окружающей средой.
Существуют разные виды работы: механическая, электрическая, магнитная, поверхностная и др. Бесконечно малую работу любого вида можно представить как произведение обобщенной силы на приращение обобщенной координаты, например:
Aмех = p. dV; Aэл = . dе; Aпов = . dW (2.3)
( - электрический потенциал, e - заряд, - поверхностное натяжение, W - площадь поверхности). С учетом (2.3), дифференциальное выражение первого закона можно представить в виде:
dU = Q - p. dV Aнемех (2.4)
В дальнейшем изложении немеханическими видами работы мы будем, по умолчанию, пренебрегать.
Механическую работу, производимую при расширении против внешнего давления pex, рассчитывают по формуле:
A = (2.5)
Если процесс расширения обратим, то внешнее давление отличается от давления системы (например, газа) на бесконечно малую величину: pex = pin - dp и в формулу (2.5) можно подставлять давление самой системы, которое определяется по уравнению состояния.
Проще всего рассчитывать работу, совершаемую идеальным газом, для которого известно уравнение состояния p = nRT / V (табл. 1).
V=2 литра (объем воды)
∆t=80 C (дельта т, изменение температуры, от 20 до 100, 100-20=80)
q=1*10^7 (^-степень, q-это удельная теплота сгорания дров, то есть величина, показывающая, сколько теплоты выделяется при сгорании одного килограмма дров)
Найти:
кол-во дров
СИ
0,002 м³ (1 литр-это 0,001 м³)
Решение.
Для начала найдем массу воды, для этого воспользуемся формулой m(масса)=p(плотность)*V(объем).
m=pV
Плотность воды равна 1000 кг/м³, объем дан в условии.
1000 кг/м³*0,002 м³=2 кг.
Теперь найдем количество теплоты, которое необходимо для нагревания воды. Оно находится по формуле:
Q=cm∆t, где с - удельная теплоемкость, m - масса, ∆t-(t2-t1), то есть изменение температуры. Удельную теплоемкость воды можно найти в учебнике, она равна 4200 Дж/кг*С, остальное дано по условию.
Q=4200 Дж/кг*С * 2 кг * 80 С=672000 Дж
Итак, теперь найдем количество дров, которые должны сгореть, чтобы передать количество теплоты, равное 672000 Дж.
Количество теплоты сгорания находится по формуле Q=mq, как найти из этой формулы массу дров? Очень просто. m=Q/q. m=672000 Дж:1*10^7 Дж/кг (то есть 10000000 Дж/кг) = 0,0672 кг.
m=0,0672 кг
Если хотите, то массу можно сократить до 0,7 кг, но это не важно.
Задавайте вопросы, если что-то непонятно.