Термодинамика — Задание 20 ОГЭ по физике №00040280

Чайник забыли выключить, и вода не просто закипела, а полностью выкипела — то есть вся превратилась в пар. Значит, энергия ушла на два дела подряд: сначала нагреть воду от $20$ °С до кипения, а потом обратить всю её в пар.

Шаг 1. Сколько энергии дала сеть. Работа тока за время $t$: $A=UIt$, а ток по закону Ома $I=\dfrac{U}{R}$. Значит

$$A=\dfrac{U^{2}t}{R}.$$

Время переводим в секунды: $t=11\ \text{мин}=660$ с.

$A=\dfrac{220^{2}\cdot660}{12{,}1}=\dfrac{48\,400\cdot660}{12{,}1}=4000\cdot660=2\,640\,000\ \text{Дж}$.

Шаг 2. Сколько из этого досталось воде. КПД показывает, какая доля энергии пошла на дело: $\eta=60\,\%=0{,}6$.

$$Q_{\text{полезн}}=\eta A=0{,}6\cdot2\,640\,000=1\,584\,000\ \text{Дж}.$$

Шаг 3. Что происходило с водой. Два процесса подряд:

• нагревание от $20$ °С до $100$ °С (при нормальном давлении вода кипит при $100$ °С): $Q_1=cm\Delta t$, где $c=4200\ \text{Дж/(кг}\cdot\text{°С)}$, $\Delta t=80$ °С;
• полное превращение в пар: $Q_2=Lm$, где $L$ — удельная теплота парообразования воды (сколько энергии нужно, чтобы обратить $1$ кг кипящей воды в пар), из таблицы $L=2{,}3\cdot10^{6}\ \text{Дж/кг}$.

$$Q_{\text{полезн}}=m(c\Delta t+L).$$

Шаг 4. Считаем массу. Скобка: $c\Delta t+L=4200\cdot80+2\,300\,000=336\,000+2\,300\,000=2\,636\,000\ \text{Дж/кг}$.

$$m=\dfrac{1\,584\,000}{2\,636\,000}\approx0{,}6\ \text{кг}.$$

Обрати внимание на масштаб: на само выкипание ушло почти в семь раз больше энергии, чем на нагрев до кипения. Поэтому вода в забытом чайнике долго «шумит» и только потом быстро исчезает.