3. На рисунке 46 приведены графики зависимости температуры от времени для двух жидкостей одинаковой массы, нагреваемых на горелках одинаковой мощности. Удельная теплота парообразования какой жидкости больше? УПРАЖНЕНИЕ 19 1. Почему внутренняя энергия водяного пара при температуре 100 °C больше, чем внутренняя энергия воды той же массы при той же температуре? 2. Какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы 2 кг спирта, взятого при температуре 20 °С, обратить в пар при температуре кипения? 3. Назовите процессы, которые надо осуществить, чтобы: а) воду, взятую при температуре 20 °С, превратить в пар, имеющий температуру 120 °С; б) эфир, взятый при температуре 125 °С, охладить до температуры 20 °С. (Атмосферное давление нормальное.) Для каждого случая постройте примерный график зависимости температуры вещества от количества теплоты, полного от н теля или отданного окружающим телам.

Рассмотрим каждое задание отдельно.

1. 
   

   Вопрос 1: Почему внутренняя энергия водяного пара при температуре 100 °C больше, чем внутренняя энергия воды той же массы при той же температуре?

   
   

   Ответ: При фазовом переходе из жидкого состояния в газообразное (парообразование) энергия идет на разрыв связей между молекулами, а не на увеличение кинетической энергии молекул (температуры). Поэтому внутренняя энергия пара больше внутренней энергии воды при той же температуре, так как пар имеет дополнительную энергию, затраченную на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия.

   
   


2. 
   

   Вопрос 2: Какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы 2 кг спирта, взятого при температуре 20 °С, обратить в пар при температуре кипения?

   
   

   Для решения данной задачи необходимо знать следующие параметры спирта:

   
   
   
   
   • $$c$$ – удельная теплоемкость спирта (примерно $$2400 \text{ Дж/(кг} cdot \text{°С)}$$);
   
   
   • $$t_{\text{кип}}$$ – температура кипения спирта (примерно $$78 \text{ °С}$$);
   
   
   • $$L$$ – удельная теплота парообразования спирта (примерно $$9 cdot 10^5 \text{ Дж/кг}$$).
   
   
   
   

   Решение состоит из двух этапов:

   
   
   
   
   1. Нагрев спирта от начальной температуры до температуры кипения:
   
   

   $$Q_1 = cm(t_{\text{кип}} - t_0)$$, где

   
   
   
   
   • $$c = 2400 \text{ Дж/(кг} cdot \text{°С)}$$ – удельная теплоемкость спирта,
   
   
   • $$m = 2 \text{ кг}$$ – масса спирта,
   
   
   • $$t_{\text{кип}} = 78 \text{ °С}$$ – температура кипения спирта,
   
   
   • $$t_0 = 20 \text{ °С}$$ – начальная температура спирта.
   
   
   
   

   $$Q_1 = 2400 \text{ Дж/(кг} cdot \text{°С)} cdot 2 \text{ кг} cdot (78 \text{ °С} - 20 \text{ °С}) = 2400 cdot 2 cdot 58 = 278400 \text{ Дж}$$

   
   
   2. Парообразование спирта при температуре кипения:
   
   

   $$Q_2 = Lm$$, где

   
   
   
   
   • $$L = 9 cdot 10^5 \text{ Дж/кг}$$ – удельная теплота парообразования спирта,
   
   
   • $$m = 2 \text{ кг}$$ – масса спирта.
   
   
   
   

   $$Q_2 = 9 cdot 10^5 \text{ Дж/кг} cdot 2 \text{ кг} = 18 cdot 10^5 \text{ Дж} = 1800000 \text{ Дж}$$

   
   
   
   

   Общее количество теплоты:

   
   

   $$Q = Q_1 + Q_2 = 278400 \text{ Дж} + 1800000 \text{ Дж} = 2078400 \text{ Дж} = 2.0784 \text{ МДж}$$

   
   

   Ответ: $$Q = 2.0784 \text{ МДж}$$.

   
   


3. 
   

   Вопрос 3: Назовите процессы, которые надо осуществить, чтобы: а) воду, взятую при температуре 20 °С, превратить в пар, имеющий температуру 120 °С; б) эфир, взятый при температуре 125 °С, охладить до температуры 20 °С. (Атмосферное давление нормальное.) Для каждого случая постройте примерный график зависимости температуры вещества от количества теплоты, полного от н теля или отданного окружающим телам.

   
   
   
   
   1. 
      

      а) Вода (20 °С → пар 120 °С):

      
      
      
      
      1. Нагрев воды от 20 °C до 100 °C.
      
      
      2. Парообразование при 100 °C (кипение).
      
      
      3. Нагрев пара от 100 °C до 120 °C.
      
      
      
      

      График:

      
      
      
      
   
   
   2. 
      

      б) Эфир (125 °С → 20 °С):

      
      
      
      
      1. Охлаждение эфира от 125 °C до температуры конденсации (которая зависит от давления, но для примера возьмем, что конденсация происходит при 35 °C).
      
      
      2. Конденсация эфира при 35 °C.
      
      
      3. Охлаждение жидкого эфира от 35 °C до 20 °C.
      
      
      
      

      График:

      
      
      
      
   
   
   
   

Ответ: Ответ выше.