Как найти количество теплоты при нагревании льда

Каждому известно, что вода может находиться в природе в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. При плавлении происходит превращение твердого льда в жидкость, а при дальнейшем нагревании жидкость испаряется, образуя водяной пар. Каковы же условия плавления, кристаллизации, испарения и конденсации воды? При какой температуре тает лед или образуется пар? Об этом мы поговорим в данной статье.

Вода на Земле

Нельзя сказать, что водяной пар и лед редко встречаются в повседневной жизни. Однако наиболее распространенным является именно жидкое состояние – обычная вода. Специалисты выяснили, что на нашей планете находится более 1 млрд кубических километров воды. Однако не более 3 млн км³ воды принадлежат пресным водоемам. Достаточно большое количество пресной воды «покоится» в ледниках (около 30 млн кубических километров). Однако растопить лед таких огромных глыб далеко не просто. Остальная же вода соленая, принадлежащая морям Мирового океана.

Вода окружает современного человека повсюду, во время большинства ежедневных процедур. Многие считают, что запасы воды неиссякаемы, и человечество сможет всегда использовать ресурсы гидросферы Земли. Однако это далеко не так. Водные ресурсы нашей планеты постепенно истощаются, и уже через несколько сотен лет пресной воды на Земле может не остаться вовсе. Поэтому абсолютно каждому человеку нужно бережно относиться к пресной воде и экономить ее. Ведь даже в наше время существуют государства, в которых запасы воды катастрофически малы.

Свойства воды

Прежде чем говорить о температуре таяния льда, стоит рассмотреть основные свойства этой уникальной жидкости.

Итак, воде присущи следующие свойства:

• Отсутствие цвета.
• Отсутствие запаха.
• Отсутствие вкуса (однако качественная питьевая вода имеет приятный вкус).
• Прозрачность.
• Текучесть.
• Способность растворять различные вещества (например, соли, щелочи и т. д.).
• Вода не имеет собственной постоянной формы и способна принимать форму сосуда, в который попадает.
• Способность очищаться посредством фильтрования.
• При нагревании вода расширяется, а при охлаждении сжимается.
• Вода может испаряться, превращаясь в пар, и замерзать, образуя кристаллический лед.

В этом списке представлены основные свойства воды. Теперь разберемся, каковы особенности твердого агрегатного состояния этого вещества, и при какой температуре тает лед.

Снег и лед

Лед – это твердое кристаллическое вещество, которое имеет достаточно неустойчивую структуру. Он, как и вода, прозрачен, не имеет цвета и запаха. Также лед обладает такими свойствами, как хрупкость и скользкость; он холодный на ощупь.

Снег также представляет собой замерзшую воду, однако обладает рыхлой структурой и имеет белый цвет. Именно снег каждый год выпадает в большинстве стран мира.

Как снег, так и лед – крайне неустойчивые вещества. Чтобы растопить лед, не нужно прикладывать особых усилий. Когда же он начинает таять?

Плавление льда

В природе твердый лед существует только при температуре 0 °C и ниже. Если же температура окружающей среды поднимается и становится больше 0 °C, лед начинает таять.

При температуре таяния льда, при 0 °C, происходит и другой процесс – замерзание, или кристаллизация, жидкой воды.

Данный процесс можно наблюдать всем жителям умеренно континентального климата. Зимой, когда температура на улице опускается ниже 0 °C, достаточно часто выпадает снег, который не тает. А жидкая вода, находившаяся на улицах, замерзает, превращаясь в твердый снег или лед. Весной же можно увидеть обратный процесс. Температура окружающей среды поднимается, поэтому лед и снег тают, образуя многочисленные лужи и грязь, которую можно считать единственным минусом весеннего потепления.

Таким образом, можно сделать вывод, что, при какой температуре начинает таять лед, при такой же температуре начинается и процесс замерзания воды.

Количество теплоты

В такой науке, как физика, часто используется понятие количества теплоты. Данная величина показывает количество энергии, необходимой для нагревания, плавления, кристаллизации, кипения, испарения или конденсации различных веществ. Причем каждый из перечисленных процессов имеет свои особенности. Поговорим о том, какое количество теплоты для нагревания льда требуется в обычных условиях.

Чтобы нагреть лед, нужно сначала его растопить. Для этого необходимо количество теплоты, нужное для плавления твердого вещества. Теплота равняется произведению массы льда на удельную теплоту его плавления (330-345 тысяч Джоулей/кг) и выражается в Джоулях. Допустим, что нам дано 2 кг твердого льда. Таким образом, чтобы его растопить, нам понадобится: 2 кг * 340 кДж/кг = 680 кДж.

После этого нам необходимо нагреть образовавшуюся воду. Количество теплоты для данного процесса рассчитать будет немного сложнее. Для этого нужно знать начальную и конечную температуру нагреваемой воды.

Итак, допустим, что нам требуется нагреть получившуюся в результате плавления льда воду на 50 °C. То есть разница начальной и конечной температуры = 50 °C (начальная температура воды – 0 °C). Тогда следует умножить разность температур на массу воды и на ее удельную теплоемкость, которая равняется 4 200 Дж*кг/°C. То есть количество теплоты, необходимое для нагревания воды, = 2 кг * 50 °C * 4 200 Дж*кг/°C = 420 кДж.

Тогда получаем, что для плавления льда и последующего нагревания получившейся воды нам потребуется: 680 000 Дж + 420 000 Дж = 1 100 000 Джоулей, или 1,1 Мегаджоуль.

Зная, при какой температуре тает лед, можно решить множество непростых задач по физике или химии.

В заключение

Итак, в данной статье мы узнали некоторые факты о воде и о двух ее агрегатных состояниях – твердом и жидком. Водяной пар, однако, представляет собой не менее интересный объект для изучения. Например, в нашей атмосфере содержится приблизительно 25*10¹⁶ кубических метров водяного пара. К тому же, в отличие от замерзания, испарение воды происходит при любой температуре и ускоряется при ее нагревании или при наличии ветра.

Мы узнали, при какой температуре тает лед и замерзает жидкая вода. Такие факты всегда пригодятся нам в повседневной жизни, так как вода окружает нас повсюду. Важно всегда помнить о том, что вода, в особенности пресная, является иссякаемым ресурсом Земли и нуждается в бережном к ней отношении.

Количество теплоты, удельная теплоемкость

От чего зависит количество теплоты

Внутренняя энергия тела изменяется при совершении работы или теплопередаче. При явлении теплопередачи внутренняя энергия передается теплопроводностью, конвекцией или излучением.

Каждое тело при нагревании или охлаждении (при теплопередаче) получает или теряет какое-то количество энергии. Исходя из этого, принято это количество энергии назвать количеством теплоты.

Итак, количество теплоты — это та энергия, которую отдает или получает тело в процессе теплопередачи.

Какое количество теплоты необходимо для нагревания воды? На простом примере можно понять, что для нагревания разного количества воды потребуется разное количество теплоты. Допустим, возьмем две пробирки с 1 литром воды и с 2-мя литрами воды. В каком случае потребуется большее количество теплоты? Во втором, там, где в пробирке 2 литра воды. Вторая пробирка будет нагреваться дольше, если мы подогреваем их одинаковым источником огня.

Таким образом, количество теплоты зависит от массы тела. Чем больше масса, тем большее количество теплоты требуется для нагрева и, соответственно, на охлаждение тела требуется большее время.

От чего еще зависит количество теплоты? Естественно, от разности температур тел. Но это еще не все. Ведь если мы попытаемся нагреть воду или молоко, то нам потребуется разное количество времени. Т.е получается, что количество теплоты зависит от вещества, из которого состоит тело.

В итоге получается, что количество теплоты, которое нужно для нагревания или количество теплоты, которое выделяется при остывании тела, зависит от его массы, от изменения температуры и от вида вещества, из которого состоит тело.

В чем измеряется количество теплоты

За единицу количества теплоты принято считать 1 Джоуль. До появления единицы измерения энергии ученые считали количество теплоты калориями. Сокращенно эту единицу измерения принято писать — “Дж”

Калория — это количество теплоты, которое необходимо для того, чтобы нагреть 1 грамм воды на 1 градус Цельсия. Сокращенно единицу измерения калории принято писать — “кал”.

1 кал = 4,19 Дж.

Обратите внимание, что в этих единицах энергии принято отмечать пищевую ценность продуктов питания кДж и ккал.

1 ккал = 1000 кал.

1 кДж = 1000 Дж

1 ккал = 4190 Дж = 4,19 кДж

Что такое удельная теплоемкость

Каждое вещество в природе имеет свои свойства, и для нагрева каждого отдельного вещества требуется разное количество энергии, т.е. количества теплоты.

Удельная теплоемкость вещества — это величина, равная количеству теплоты, которое нужно передать телу с массой 1 килограмм, чтобы нагреть его на температуру 1 ⁰C

Удельная теплоемкость обозначается буквой c и имеет величину измерения Дж/кг*

Например, удельная теплоемкость воды равна 4200 Дж/кг*⁰C.   То есть это то количество теплоты, которое нужно передать 1 кг воды, чтобы нагреть ее на 1 ⁰C

Следует помнить, что удельная теплоемкость веществ в разных агрегатных состояниях различна. То есть для нагревания льда на 1 ⁰C потребуется другое количество теплоты.

Как рассчитать количество теплоты для нагревания тела

Например, необходимо рассчитать количество теплоты, которое нужно потратить для того, чтобы нагреть 3 кг воды с температуры 15 ⁰С до температуры 85 ⁰С. Нам известна удельная теплоемкость воды, то есть количество энергии, которое нужно для того, чтобы нагреть 1 кг воды на 1 градус. То есть для того, чтобы узнать количество теплоты в нашем случае, нужно умножить удельную теплоемкость воды на 3 и на то количество градусов, на которое нужно увеличить температуры воды. Итак, это 4200*3*(85-15) = 882 000.

В скобках мы рассчитываем точное количество градусов, отнимая от конечного необходимого результата начальное

Итак, для того, чтобы нагреть 3 кг воды с 15 до 85 ⁰С, нам потребуется 882 000 Дж количества теплоты.

Количество  теплоты обозначается буквой Q, формула для его расчета выглядит следующим образом:

Q=c*m*(t₂-t₁).

Разбор и решение задач

Задача 1. Какое количество теплоты потребуется для нагрева 0,5 кг воды с 20 до 50 ⁰С

Дано:

m = 0,5 кг.,

с = 4200 Дж/кг*⁰С,

t1 = 20 ⁰С,

t2 = 50 ⁰С.

Величину удельной теплоемкость мы определили из таблицы.

Решение:

количество теплоты определяется по формуле Q=c*m*(t₂-t₁).

Подставляем значения:

Q=4200*0,5*(50-20) = 63 000 Дж = 63 кДж.

Ответ: Q=63 кДж.

Задача 2. Какое количество теплоты потребуется для нагревания алюминиевого бруска массой 0,5 кг на 85 ⁰С?

Дано:

m = 0,5 кг.,

с = 920 Дж/кг*⁰С,

t1 = 0 ⁰С,

t2 = 85 ⁰С.

Решение:

количество теплоты определяется по формуле Q=c*m*(t₂-t₁).

Подставляем значения:

Q=920*0,5*(85-0) = 39 100 Дж = 39,1 кДж.

Ответ: Q= 39,1 кДж.

Задачи на количество теплоты с решениями

Формулы, используемые на уроках «Задачи на количество теплоты,
удельную теплоемкость».

1 г = 0,001 кг;     1 т = 1000 кг;    1 кДж = 1000 Дж;    1 МДж = 1000000 Дж

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Задача № 1.
 В железный котёл массой 5 кг налита вода массой 10 кг. Какое количество теплоты нужно передать котлу с водой для изменения их температуры от 10 до 100 °С?

При решении задачи нужно учесть, что оба тела — и котёл, и вода — будут нагреваться вместе. Между ними происходит теплообмен. Их температуры можно считать одинаковыми, т. е. температура котла и воды изменяется на 100 °С — 10 °С = 90 °С. Но количества теплоты, полученные котлом и водой, не будут одинаковыми. Ведь их массы и удельные теплоёмкости различны.

Задача № 2.
 Смешали воду массой 0,8 кг, имеющую температуру 25 °С, и воду при температуре 100 °С массой 0,2 кг. Температуру полученной смеси измерили, и она оказалась равной 40 °С. Вычислите, какое количество теплоты отдала горячая вода при остывании и получила холодная вода при нагревании. Сравните эти количества теплоты.

Задача № 3.
 Стальная деталь массой 3 кг нагрелась от 25 до 45 °С. Какое количество теплоты было израсходовано?

Задача № 4.
 В сосуде содержится 3 л воды при температуре 20 °С. Сколько воды при температуре 45 °С надо добавить в сосуд, чтобы в нём установилась температура 30 °С? Необходимый свободный объём в сосуде имеется. Теплообменом с окружающей средой пренебречь

Задача № 5.
 На сколько градусов изменилась температура чугунной детали массой 12 кг, если при остывании она отдала 648000 Дж теплоты?

Задача № 6.
 По графику определите удельную теплоёмкость образца, если его масса 50 г.

Задача № 7.
 Для нагревания медного бруска массой 3 кг от 20 до 30 °С потребовалось 12000 Дж теплоты. Какова удельная теплоемкость меди?

Задача № 8.
 Нагретый камень массой 5 кг, охлаждаясь в воде на 1 °С, передает ей 2,1 кДж энергии. Чему равна удельная теплоемкость камня?

Задача № 9.
 Какое количество теплоты потребуется для нагревания на 1 °С воды объемом 0,5 л; олова массой 500 г; серебра объемом 2 см3; стали объемом 0,5 м3; латуни массой 0,2 т?

Задача № 10.
 Какое количество теплоты получили алюминиевая кастрюля массой 200 г и находящаяся в ней вода объемом 1,5 л при нагревании от 20 °С до кипения при температуре 100 °С?

Задача № 11.
 а) Воздух, заполняющий объем 0,5 л в цилиндре с легким поршнем, нагрели от 0 до 30 °С при постоянном атмосферном давлении. Какое количество теплоты получил воздух? 
б) В порожнем закрытом металлическом баке вместимостью 60 м3 под действием солнечного излучения воздух нагрелся от 0 до 20 °С. Как и на сколько изменилась внутренняя энергия воздуха в баке? (Удельная теплоемкость воздуха при постоянном объеме равна 720 Дж/кг-°С.)

Задача № 12.
  ОГЭ
 Металлический цилиндр массой m = 60 г нагрели в кипятке до температуры t = 100 °С и опустили в воду, масса которой m_в = 300 г, а температура t_в = 24 °С. Температура воды и цилиндра стала равной Θ = 27 °С. Найти удельную теплоёмкость металла, из которого изготовлен цилиндр. Удельная теплоёмкость воды с_в = 4200 Дж/(кг К).

Задача № 13.
 В теплоизолированном сосуде сначала смешивают три порции воды 100 г, 200 г и 300 г с начальными температурами 20 °C, 70 °C и 50 °C соответственно. После установления теплового равновесия в сосуд добавляют новую порцию воды массой 400 г при температуре 20 °C. Определите конечную температуру в сосуде. Ответ дайте в °C, округлив до целого числа. Теплоёмкостью калориметра пренебрегите.

Решение.

Ответ: 39 °С.

Задача № 14. (повышенной сложности)
 Стальной шарик радиусом 5 см, нагретый до температуры 500 ˚С, положили на лед, температура которого 0 ˚С. На какую глубину погрузится шарик в лед? (Считать, что шарик погрузился в лед полностью. Теплопроводностью шарика и нагреванием воды пренебречь.)

Дано: R = 0,05 м;   t₁ = 500 ˚С;   t₂ = 0 ˚С;
ρ₁ (плотность стали) = 7800 кг/м³.;
ρ₂ (плотность льда) = 900 кг/м³.
c (удельная теплоемкость стали) = 460 Дж/кг •˚С,
λ (удельная теплота плавления льда) = 3,3 • 10⁵ Дж/кг,

Найти: h – ?

Краткая теория для решения Задачи на количество теплоты.

Конспект урока «Задачи на количество теплоты».

Посмотреть конспект урока по теме «Количество теплоты. Удельная теплоемкость»

Следующая тема: «ЗАДАЧИ на сгорание топлива с решениями».

Расчет количества теплоты при нагревании и охлаждении:

Вы уже знаете, что изменить внутреннюю энергию тела можно передачей ему количества теплоты. Как связано изменение внутренней энергии тела, т. е. количество теплоты, с характеристиками самого тела?

Внутренняя энергия тела есть суммарная энергия всех его частиц. Значит, если массу данного тела увеличить в два или три раза, то и количество теплоты, необходимое для его нагревания на одно и то же число градусов, увеличится в два или три раза. Например, на нагревание двух килограммов воды от 20 °C до 80 °C потребуется в два раза больше теплоты, чем на нагревание одного килограмма воды (рис. 40, а).

Очевидно также, что для нагревания воды на

Из этих рассуждений следует подтвержденный опытами вывод. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, прямо пропорционально его массе и изменению температуры.

А зависит ли количество теплоты, идущее на нагревание, от рода вещества, которое нагревается?

Для ответа на этот вопрос проведем опыт. В два одинаковых стакана нальем по 150 г подсолнечного масла и воды. Поместим в них термометры и поставим на нагреватель (рис. 41).

Получив за одинаковое время от нагревателя равное с водой количество теплоты, масло нагрелось больше, чем вода. Значит, для изменения температуры масла на одну и ту же величину требуется меньше теплоты, чем для изменения температуры такой же массы воды.

Поэтому для всех веществ вводят специальную величину — удельную теплоемкость вещества. Эту величину обозначают буквой с (от лат. capacite — емкость, вместимость). Теперь мы можем записать строгую формулу для количества теплоты, необходимого для нагревания:

Выразим из этой формулы с:

Удельная теплоемкость есть физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать 1 кг данного вещества, чтобы изменить его температуру на 1 °C. Удельная теплоемкость измеряется в джоулях на килограмм-градус Цельсия

Для любознательных:

Часто формулу записывают в виде  Здесь величина называется теплоемкостью тела (обратите внимание — не вещества). Она численно равна количеству теплоты, необходимому для нагревания всей массы тела на 1 °C. Измеряется теплоемкость тела в джоулях на градус Цельсия 

В таблице 1 представлены значения удельной теплоемкости различных веществ (в различных состояниях). Как следует из этой таблицы, среди жидкостей максимальное значение удельной теплоемкости имеет вода: для нагревания 1 кг воды на 1 °C требуется 4200 Дж теплоты — это почти в 2,5 раза больше, чем для нагревания 1 кг подсолнечного масла, и в 35 раз больше, чем для нагревания 1 кг ртути.

Формула дает возможность найти и выделяемую при охлаждении тела теплоту. Так как конечная температура остывшего тела меньше начальной  то изменение температуры оказывается отрицательным числом. Значит, и выделяемое телом количество теплоты выражается отрицательным числом, что обозначает не рост, а убыль внутренней энергии тела.

В заключение заметим, что при теплообмене двух или нескольких тел абсолютное значение количества теплоты, которое отдано более нагретым телом (телами), равно количеству теплоты, которое получено более холодным телом (телами):

Это равенство называется уравнением теплового баланса и выражает, по сути, закон сохранения энергии. Оно справедливо при отсутствии потерь теплоты.
Таблица 1. Удельная теплоемкость некоторых веществ

Главные выводы:

1. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела (выделившееся при охлаждении), прямо пропорционально его массе, изменению температуры тела и зависит от вещества тела.
2. Удельная теплоемкость вещества численно равна количеству теплоты, которое надо передать 1 кг данного вещества, чтобы изменить его температуру на 1 °C.
3. При теплообмене количество теплоты, отданное более горячим телом, равно по модулю количеству теплоты, полученному более холодным телом, если нет потерь теплоты.

• Заказать решение задач по физике

Пример решения задачи:

Для купания ребенка в ванночку влили холодную воду массой = 20 кг при температуре  = 12 °C. Какую массу горячей воды при температуре = 80 °C нужно добавить в ванночку, чтобы окончательная температура воды стала = 37 °C? Удельная теплоемкость воды с = 4200
Дано:

Решение

По закону сохранения энергии

Отдавала теплоту горячая вода, изменяя свою температуру от

Холодная вода получила эту теплоту и нагрелась от

Так как нас интересует только модуль  то можно записать:

Тогда

При решении мы пренебрегали потерями теплоты на нагревание ванночки, окружающего воздуха и т. д.

Возможен и другой вариант решения.

Рассчитаем сначала количество теплоты, которое было получено холодной водой:

Полагая, что эта теплота отдана горячей водой, запишем:  Выразим искомую массу:

Ответ: