МКТ — Задание 24 ЕГЭ по физике №00016874
МКТ
№2. Задание 24
ID: 00016874
В калориметр, содержащий M = 250 г воды при температуре t1 = 20 °C, опускают железный шар массой m = 100 г, находящийся при температуре t2 = 600 °C. Какая температура t3 установится в калориметре после достижения теплового равновесия? Считайте, что при контакте раскалённого металла с водой она быстро превращается в пар и образовавшиеся пары воды сразу улетучиваются. Другими потерями теплоты можно пренебречь.
Источник: ФИПИ
Решение
Дано:
$M=250$ г $=0{,}25$ кг — вода при $t_1=20\ ^\circ\text{C}$; $\;m=100$ г $=0{,}1$ кг — железный шар при $t_2=600\ ^\circ\text{C}$; вода у раскалённого металла мгновенно превращается в пар и улетает; $\;c_\text{в}=4200$, $\;c_\text{ж}=460\ \tfrac{\text{Дж}}{\text{кг}\cdot{}^\circ\text{C}}$, $\;L=2{,}26\cdot10^6\ \tfrac{\text{Дж}}{\text{кг}}$.
Найти:
$t_3$ — установившуюся температуру.
Решение:
Раскалённый шар — как уголёк, брошенный в лужу: пока он горячее $100\ ^\circ\text{C}$, капли воды у его поверхности с шипением вскипают и улетают паром, унося тепло. Это длится, пока шар не остынет до $100\ ^\circ\text{C}$. Дальше «шипеть» нечему — шар спокойно домешивается к оставшейся воде.
Этап 1 (шар $600\to100\ ^\circ\text{C}$). Всё тепло, что шар отдаёт остывая до $100\ ^\circ\text{C}$, тратится на выкипание части воды (нагрев её $20\to100$ и испарение):
$c_\text{ж}m\,(600-100)=m_\text{пар}\big(c_\text{в}(100-20)+L\big).$
$Q_1=460\cdot0{,}1\cdot500=23000$ Дж. На каждый кг пара уходит $c_\text{в}\cdot80+L=4200\cdot80+2{,}26\cdot10^6=2{,}596\cdot10^6$ Дж. Тогда
$m_\text{пар}=\dfrac{23000}{2{,}596\cdot10^6}\approx8{,}9$ г.
Воды осталось $M'=250-8{,}9\approx241$ г $=0{,}241$ кг.
Этап 2 (обычное смешивание). Теперь шар при $100\ ^\circ\text{C}$ остывает с оставшейся водой при $20\ ^\circ\text{C}$ до общей $t_3$ (баланс тепла):
$c_\text{ж}m\,(100-t_3)=c_\text{в}M'\,(t_3-20).$
$t_3=\dfrac{c_\text{ж}m\cdot100+c_\text{в}M'\cdot20}{c_\text{ж}m+c_\text{в}M'}=\dfrac{460\cdot0{,}1\cdot100+4200\cdot0{,}241\cdot20}{460\cdot0{,}1+4200\cdot0{,}241}\approx23{,}5\ ^\circ\text{C}.$
Установится примерно $23{,}5\ ^\circ\text{C}$. Логично: вода нагрелась всего на пару градусов — большая её масса и потеря тепла с улетевшим паром «съели» почти весь жар шара.
Ответ
$t_3\approx 23{,}5\ ^\circ\text{C}$
Другие задания по теме «МКТ» (8)
- Задание 24 №00043180 — Сосуд объёмом 8 л содержит смесь водорода и гелия общей массой 2 г при давлении…
- Задание 24 №00043179 — Сосуд объёмом 12 л содержит смесь водорода и гелия общей массой 2 г при…
- Задание 24 №00026545 — В вольфрамовом цилиндре под поршнем водород при атмосферном давлении и…
- Задание 24 №00026542 — Сосуд с воздухом, отделённым от атмосферы поршнем, поместили в кастрюлю с водой…
- Задание 24 №00026540 — Закрытый вертикальный цилиндрический сосуд, заполненный идеальным газом,…
- Задание 24 №00026534 — В открытой пробирке, вращающейся в горизонтальной плоскости с угловой скоростью…
- Задание 24 №00026529 — В цилиндр объёмом 0,5 м³ закачивается воздух со скоростью 0,002 кг/с. В верхнем…
- Задание 24 №00022539 — В горизонтальной трубке, запаянной с одного конца, помещена ртуть. Столбик…