К содержанию

Тепловой баланс

Количество теплоты со всеми фазовыми переходами по дороге, нагрев любого вещества по удельной теплоёмкости и температура смеси двух тел.

Калькулятор

Что считаем:

При 0 и 100 градусах одна температура отвечает двум состояниям — выбери, о чём речь. Разница между «льдом при 0» и «водой при 0» и есть теплота плавления.

Расчёт идёт в браузере — данные никуда не отправляются

Как это считается

Нагревание считается через теплоёмкость, плавление и парообразование — через свои удельные теплоты, где разности температур нет вовсе.

Q=cmΔtQ=λmQ=Lm

Фазовый переход идёт при постоянной температуре. Пока в стакане есть лёд, вода остаётся при нуле, сколько её ни грей: теплота уходит на разрушение связей.

Забывают дорого. Испарить килограмм воды стоит впятеро больше, чем нагреть его от нуля до кипения, поэтому пропущенное слагаемое меняет ответ в разы. Калькулятор сам расставляет переходы на пути от одной температуры к другой.

В задачах на смешивание работает уравнение баланса: отданное равно полученному. Конечная температура всегда лежит между исходными — это готовая проверка расчёта.

Сколько стоит килограмм воды

Одна и та же вода, разные процессы.

ЧТО СДЕЛАТЬ ТЕПЛОТА ПРИМЕЧАНИЕ
Нагреть на 1 °C 4200 Дж это и есть теплоёмкость
Нагреть от 0 до 100 °C 420 кДж весь путь до кипения
Растопить лёд при 0 °C 340 кДж как нагреть воду на 81 градус
Испарить при 100 °C 2300 кДж в 5,5 раза дороже нагрева
Нагреть лёд на 1 °C 2100 Дж вдвое меньше, чем у воды

Строка про плавление — хороший ориентир на весь курс: растопить лёд стоит столько же, сколько нагреть ту же воду на восемьдесят один градус.

Примеры расчёта

Лёд в пар: четыре шага вместо одного

200 г льда при −10 °C надо полностью превратить в пар при 100 °C

  1. Нагреваем лёд до нуля

    Q1=cлmΔt=21000,210=4200 Дж

    У льда своя теплоёмкость — 2100, вдвое меньше, чем у воды. Подставленные сюда 4200 сразу удваивают этот шаг.

  2. Плавим лёд

    Q2=λm=3400000,2=68000 Дж

    Температура стоит на нуле, а теплота идёт: она тратится на разрушение кристаллической решётки. Этот шаг забывают чаще всего, потому что на градуснике ничего не меняется.

  3. Нагреваем воду до кипения

    Q3=42000,2100=84000 Дж

    Только теперь работает привычная формула, и работает она ровно на участке от нуля до ста.

  4. Испаряем

    Q4=Lm=23000000,2=460000 Дж

    Снова переход при постоянной температуре — и это самый дорогой шаг из всех, три четверти общей теплоты.

Итого 616 200 Дж, из которых 460 000 приходятся на испарение. Одной формулой cmΔt вышло бы 92 400 — почти в семь раз меньше, и именно так теряют задачу целиком.

Раскалённая деталь в ведре воды

стальную деталь 500 г при 200 °C опустили в 2 л воды при 20 °C

  1. Записываем уравнение баланса

    c1m1(200t)=c2m2(t20)

    Сколько теплоты отдала сталь, столько получила вода. Потерями в воздух и в стенки ведра пренебрегаем.

  2. Считаем произведения cm

    4600,5=230,42002=8400

    Именно эти произведения и определяют, чья возьмёт. У воды оно примерно в 36 раз больше: теплоёмкость выше в девять раз, да и массы вчетверо больше.

  3. Находим температуру

    t=230200+840020230+840024,8 C

    Вода нагрелась меньше чем на пять градусов, сталь остыла на 175. Проверка простая: ответ обязан лежать между 20 и 200.

Двести градусов раскалённого металла — и всего пять градусов прибавки у воды. Поэтому воду и используют для охлаждения: она забирает много тепла, почти не меняя температуру.

Вопросы

Почему при плавлении температура не меняется?

Потому что подводимая теплота идёт не на разгон молекул, а на разрушение связей между ними. Пока в стакане есть лёд, вода в нём остаётся при нуле, сколько её ни грей. Температура пойдёт вверх только когда растает последний кусок.

Почему одной формулы cmΔt не хватает?

Она описывает только нагревание внутри одного состояния. Как только на пути встречается плавление или кипение, добавляются слагаемые λm и Lm, где никакой разности температур нет. Задача про лёд без них решается в разы неверно.

А если вещество остывает и переходит в твёрдое состояние?

Формулы те же самые, только теплота не поглощается, а выделяется. При кристаллизации выделяется ровно столько теплоты, сколько поглощается при плавлении того же вещества — это одна и та же удельная теплота плавления λ, только с другим знаком. То же с конденсацией пара и испарением: обе идут по L. Задача «остудить пар до льда» считается теми же четырьмя шагами, что и «нагреть лёд до пара», просто в обратном порядке.

Что дороже — нагреть воду или испарить её?

Испарить, причём в 5,5 раза. Нагрев килограмма от нуля до ста стоит 420 кДж, испарение при ста — 2300 кДж. Поэтому чайник закипает за пару минут, а выкипает досуха десятки минут.

Как записать уравнение теплового баланса?

Отданная теплота равна полученной: c₁m₁(t₁ − t) = c₂m₂(t − t₂). Проверок две — числа с обеих сторон обязаны совпасть, а конечная температура обязана лежать между исходными.

Надо ли переводить градусы в кельвины?

Нет. В формулу входит разность температур, а она в шкале Цельсия и в кельвинах одинакова: обе шкалы отличаются только началом отсчёта. Кельвины нужны в газовых законах, а не здесь.

Почему раскалённая железка почти не греет воду?

У воды теплоёмкость 4200 против 460 у стали — в девять раз больше. Произведение cm у неё выходит в десятки раз крупнее, поэтому она и «перетягивает» температуру на себя.

Похожие калькуляторы

обновлено

Источники: количество теплоты, плавление, парообразование и уравнение теплового баланса в объёме школьного курса физики 8 класса · удельные теплоёмкости и теплоты переходов — по школьным таблицам · расчёт идёт в браузере, формулы и числа примеров покрыты автоматическими тестами.

Нашёл неточность — напиши через форму, поправим.