Задание №14 — ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

#44075Задание №14ФИПИ

Уравнение теплового баланса

На рисунке графически изображён процесс теплообмена для случая, когда нагретый до температуры t₂ металлический брусок опускают в медный калориметр, содержащий воду температурой t₁.

Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

В результате теплообмена установилась температура, равная 50 °С.

Точка Е на графике соответствует окончанию процесса нагревания калориметра.

Температура воды изменилась на большую величину, чем температура калориметра.

На нагревание воды и калориметра вместе потребовалось 800 Дж энергии.

Точка D на графике соответствует окончанию процесса нагревания воды.

Правильный ответ

Пояснение

Решение.

Проанализируем представленный график процесса теплообмена. На графике по вертикальной оси отложена температура $t$ в $^{\circ}\text{C}$ , а по горизонтальной — количество теплоты $Q$ в $\text{Дж}$ .

1) Анализ процесса охлаждения бруска. График $AB$ соответствует охлаждению металлического бруска от начальной температуры $t_2$ до температуры теплового равновесия. Точка $B$ является конечной точкой процесса для бруска. Проецируя точку $B$ на ось температур, мы видим значение $50\ ^{\circ}\text{C}$ . Следовательно, установившаяся температура равна $50\ ^{\circ}\text{C}$ . Утверждение № 1 верно.

2) Анализ процесса нагревания воды и калориметра. В калориметре находятся два тела: сама медная чаша (калориметр) и вода. Оба тела изначально имеют температуру $t_1$ и в конце процесса принимают температуру $50\ ^{\circ}\text{C}$ . На графике этому соответствуют два луча, выходящие из одной точки на оси ординат. Так как удельная теплоемкость воды значительно выше удельной теплоемкости меди, воде для нагрева на ту же разность температур требуется гораздо больше энергии. Значит, более пологий график ( $600\ \text{Дж}$ ) относится к воде, а более крутой ( $200\ \text{Дж}$ ) — к калориметру.

3) Проверка утверждения № 2 и № 5. Точка $D$ соответствует окончанию нагрева калориметра (затрачено $200\ \text{Дж}$ ), а точка $E$ — окончанию нагрева воды (затрачено $600\ \text{Дж}$ ). Таким образом, утверждение № 2 неверно (в точке $E$ заканчивается нагрев воды), и утверждение № 5 неверно (в точке $D$ заканчивается нагрев калориметра).

4) Проверка утверждения № 3. Вода и калориметр находятся в тепловом контакте, их начальные температуры одинаковы ( $t_1$ ) и конечные температуры одинаковы ( $50\ ^{\circ}\text{C}$ ). Следовательно, изменение температуры $\Delta t = 50 - t_1$ у них одинаковое. Утверждение № 3 неверно.

5) Проверка утверждения № 4. Согласно закону сохранения энергии (уравнению теплового баланса), количество теплоты, отданное горячим бруском, равно сумме количеств теплоты, полученных водой и калориметром. Из графика видно, что брусок при охлаждении до $50\ ^{\circ}\text{C}$ отдал $Q_{отд} = 800\ \text{Дж}$ (координата точки $B$ по оси $Q$ ). Значит, суммарная энергия, пошедшая на нагрев системы «вода + калориметр», составляет $800\ \text{Дж}$ . Утверждение № 4 верно.

Ответ: 14

Источник: ФИПИ