Решение задачи по физике Найти приращение энтропии при превращении в воду 200 г льда, находившегося при температуре минус 10,7 °С. Теплоемкость льда считать не зависящей от температуры. Температуру плавления принять равной 273 К.
Для решения задачи мы используем понятие приращения энтропии в процессе нагрева, плавления и нагрева образовавшейся воды.
Нагрев льда от -10,7 °C до 0 °C: Чтобы найти энтропию, сначала необходимо нагреть лед. Используем относительную теплоемкость льда cледc_{лед}cлед (которую можно принять равной (2.1 \, \text{Дж/(г·К)})).
Температура в Кельвинах: T1=273−10.7=262.3 K
T_1 = 273 - 10.7 = 262.3 \, \text{K} T1=273−10.7=262.3KT2=273 K
T_2 = 273 \, \text{K} T2=273K
Общее приращение энтропии: Суммируем все изменения энтропии: ΔS=ΔS1+ΔS2+ΔS3
\Delta S = \Delta S_1 + \Delta S_2 + \Delta S_3 ΔS=ΔS1+ΔS2+ΔS3ΔS≈16.74 Дж/K+244.68 Дж/K+259.41 Дж/K≈520.83 Дж/K
\Delta S \approx 16.74 \, \text{Дж/K} + 244.68 \, \text{Дж/K} + 259.41 \, \text{Дж/K} \approx 520.83 \, \text{Дж/K} ΔS≈16.74Дж/K+244.68Дж/K+259.41Дж/K≈520.83Дж/K
Итак, общее приращение энтропии при превращении 200 г льда, находившегося при температуре -10,7 °C, в воду при 100 °C составляет примерно 520.83 Дж/K520.83 \, \text{Дж/K}520.83Дж/K.
Для решения задачи мы используем понятие приращения энтропии в процессе нагрева, плавления и нагрева образовавшейся воды.
Нагрев льда от -10,7 °C до 0 °C:
Чтобы найти энтропию, сначала необходимо нагреть лед. Используем относительную теплоемкость льда cледc_{лед}cлед (которую можно принять равной (2.1 \, \text{Дж/(г·К)})).
Температура в Кельвинах:
T1=273−10.7=262.3 K T_1 = 273 - 10.7 = 262.3 \, \text{K}
T1 =273−10.7=262.3K T2=273 K T_2 = 273 \, \text{K}
T2 =273K
Количество теплоты, необходимое для нагрева льда:
[
Q1 = m \cdot c{лед} \cdot (T_2 - T_1) = 200 \, \text{г} \cdot 2.1 \, \text{Дж/(г·К)} \cdot (273 - 262.3) \, \text{K}
]
[
Q_1 = 200 \, \text{г} \cdot 2.1 \, \text{Дж/(г·К)} \cdot 10.7 \, \text{K} = 4489.4 \, \text{Дж}
]
Приращение энтропии при нагреве льда:
ΔS1=Q<em>1T</em>ср.=Q1(T1+T<em>2)/2=4489.4 Дж(262.3+273)/2 \Delta S_1 = \frac{Q<em>1}{T</em>{ср.}} = \frac{Q_1}{(T_1 + T<em>2)/2} = \frac{4489.4 \, \text{Дж}}{(262.3 + 273)/2}
ΔS1 =T</em>ср.Q<em>1 =(T1 +T<em>2)/2Q1 =(262.3+273)/24489.4Дж T</em>ср.=262.3+2732=267.65 K T</em>{ср.} = \frac{262.3 + 273}{2} = 267.65 \, \text{K}
T</em>ср.=2262.3+273 =267.65K
Исчисления:
ΔS1=4489.4 Дж267.65 K≈16.74 Дж/K \Delta S_1 = \frac{4489.4 \, \text{Дж}}{267.65 \, \text{K}} \approx 16.74 \, \text{Дж/K}
ΔS1 =267.65K4489.4Дж ≈16.74Дж/K
Плавление льда:
Для плавления льда используем удельную теплоту плавления льда L=334 Дж/гL = 334 \, \text{Дж/г}L=334Дж/г.
Количество теплоты, необходимое для плавления льда:
Q2=m⋅L=200 г⋅334 Дж/г=66800 Дж Q_2 = m \cdot L = 200 \, \text{г} \cdot 334 \, \text{Дж/г} = 66800 \, \text{Дж}
Q2 =m⋅L=200г⋅334Дж/г=66800Дж
Приращение энтропии при плавлении:
ΔS2=Q2Tплавл=66800 Дж273 K≈244.68 Дж/K \Delta S_2 = \frac{Q_2}{T_плавл} = \frac{66800 \, \text{Дж}}{273 \, \text{K}} \approx 244.68 \, \text{Дж/K}
ΔS2 =Tп лавлQ2 =273K66800Дж ≈244.68Дж/K
Нагрев воды от 0 °C до T = 100 °C:
Теперь нагреваем образовавшуюся воду. Используем теплоемкость воды (c_{вода} = 4.18 \, \text{Дж/(г·К)}).
Количество теплоты, необходимое для нагрева воды:
[
Q3 = m \cdot c{вода} \cdot (T - 0) = 200 \, \text{г} \cdot 4.18 \, \text{Дж/(г·К)} \cdot (373 - 273) \, \text{K}
]
Q3=200⋅4.18⋅100=83600 Дж Q_3 = 200 \cdot 4.18 \cdot 100 = 83600 \, \text{Дж}
Q3 =200⋅4.18⋅100=83600Дж
Приращение энтропии при нагреве воды:
ΔS3=Q<em>3T</em>ср.=Q<em>3(T+0)/2=83600 Дж(273+373)/2 \Delta S_3 = \frac{Q<em>3}{T</em>{ср.}} = \frac{Q<em>3}{(T + 0)/2} = \frac{83600 \, \text{Дж}}{(273 + 373)/2}
ΔS3 =T</em>ср.Q<em>3 =(T+0)/2Q<em>3 =(273+373)/283600Дж T</em>ср.=273+3732=323 K T</em>{ср.} = \frac{273 + 373}{2} = 323 \, \text{K}
T</em>ср.=2273+373 =323K
Исчисления:
ΔS3=83600 Дж323 K≈259.41 Дж/K \Delta S_3 = \frac{83600 \, \text{Дж}}{323 \, \text{K}} \approx 259.41 \, \text{Дж/K}
ΔS3 =323K83600Дж ≈259.41Дж/K
Общее приращение энтропии:
Суммируем все изменения энтропии:
ΔS=ΔS1+ΔS2+ΔS3 \Delta S = \Delta S_1 + \Delta S_2 + \Delta S_3
ΔS=ΔS1 +ΔS2 +ΔS3 ΔS≈16.74 Дж/K+244.68 Дж/K+259.41 Дж/K≈520.83 Дж/K \Delta S \approx 16.74 \, \text{Дж/K} + 244.68 \, \text{Дж/K} + 259.41 \, \text{Дж/K} \approx 520.83 \, \text{Дж/K}
ΔS≈16.74Дж/K+244.68Дж/K+259.41Дж/K≈520.83Дж/K
Итак, общее приращение энтропии при превращении 200 г льда, находившегося при температуре -10,7 °C, в воду при 100 °C составляет примерно 520.83 Дж/K520.83 \, \text{Дж/K}520.83Дж/K.