Задание №14 — ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Решение.

Проанализируем представленные графики зависимости температуры $t$ от времени $\tau$. На графике мы видим два процесса, происходящих одновременно в калориметре:

1. Участок АБ: Температура вещества уменьшается от положительного значения $t_1$ до 0 \, ^\circ\text{C} . Очевидно, что это процесс охлаждения воды, которая изначально находилась в калориметре.
2. Участок ГБ: Температура вещества увеличивается от отрицательного значения $t_2$ до 0 \, ^\circ\text{C} . Это процесс нагревания льда, который добавили в воду.

Разберем каждое утверждение из предложенного списка:

1) Начальная температура смеси равна 0 \, ^\circ\text{C} .
Это утверждение неверно. В начальный момент времени ($\tau = 0$) в калориметре находились два тела с разными температурами: вода при t_1 > 0 \, ^\circ\text{C} и лёд при t_2 < 0 \, ^\circ\text{C} . Понятие «температура смеси» применимо только после установления теплового равновесия.

2) Участок БВ соответствует процессу кристаллизации воды в калориметре.
Это утверждение неверно. Участок БВ — это горизонтальный участок при температуре 0 \, ^\circ\text{C} . Поскольку в точке Б температуры воды и льда сравнялись, теплообмен между ними прекратился. Температура 0 \, ^\circ\text{C} на участке БВ соответствует состоянию теплового равновесия смеси воды и льда, а не фазовому переходу (кристаллизации или плавлению), так как для фазового перехода нужен приток или отвод тепла извне, а калориметр теплоизолирован.

3) Точка Б соответствует времени, когда в системе вода-лёд установилось состояние теплового равновесия.
Это утверждение верно. Тепловое равновесие — это состояние, при котором температуры всех тел в системе становятся одинаковыми. В точке Б графики охлаждения воды и нагревания льда пересекаются в одной температурной точке ( 0 \, ^\circ\text{C} ), следовательно, теплообмен между ними завершен.

4) К моменту установления теплового равновесия вся вода в калориметре превратилась в лёд.
Это утверждение неверно. На графике видно, что вода охладилась до 0 \, ^\circ\text{C} , а лёд нагрелся до 0 \, ^\circ\text{C} . Для того чтобы вода превратилась в лёд, она должна отдать значительное количество энергии (скрытую теплоту кристаллизации). Однако после точки Б температура системы не меняется и остается равной 0 \, ^\circ\text{C} , что говорит о сосуществовании воды и льда в равновесии.

5) Процесс, соответствующий участку ГБ, идёт с поглощением энергии.
Это утверждение верно. Участок ГБ соответствует нагреванию льда (температура растет). Согласно первому закону термодинамики, для повышения температуры тела к нему необходимо подводить теплоту. В данном случае лёд получает (поглощает) энергию от более теплой воды.

Ответ: 35

Источник: ФИПИ