IPhO 1969 · Theory problem 2
Ice dropped into water in a copper calorimeter
Water of mass \(m_2\) is contained in a copper calorimeter of mass \(m_1\). Their common temperature is \(t_2\). A piece of ice of mass \(m_3\) and temperature \(t_3<0^\circ\mathrm{C}\) is dropped into the calorimeter.
a) Determine the temperature and masses of water and ice in the equilibrium state for general values of \(m_1,m_2,m_3,t_2\) and \(t_3\). Write equilibrium equations for all possible processes which have to be considered.
b) Find the final temperature and final masses of water and ice for \(m_1=1.00\ \mathrm{kg}\), \(m_2=1.00\ \mathrm{kg}\), \(m_3=2.00\ \mathrm{kg}\), \(t_2=10^\circ\mathrm{C}\), \(t_3=-20^\circ\mathrm{C}\).
Neglect the energy losses, assume the normal barometric pressure. Specific heat of copper is \(c_1=0.1\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\), specific heat of water \(c_2=1\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\), specific heat of ice \(c_3=0.492\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\), latent heat of fusion of ice \(l=78,7\ \mathrm{kcal/kg}\). Take \(1\ \mathrm{cal}=4.2\ \mathrm{J}\).
Official English text of the problem.
Answers
- a) Define the total water-plus-ice mass and the heat surplus at \(0^\circ\mathrm{C}\): \[ M=m_2+m_3,\qquad D=(m_1c_1+m_2c_2)t_2+m_3c_3t_3. \] The equilibrium temperature \(t_f\) and masses are:
| Condition | \(t_f\) | Final liquid-water mass | Final ice mass |
|---|---|---|---|
| \(D<-m_2l\) | \(\displaystyle\frac{D+m_2l}{m_1c_1+Mc_3}<0\) | \(0\) | \(M\) |
| \(-m_2l\le D\le m_3l\) | \(0^\circ\mathrm{C}\) | \(\displaystyle m_2+\frac{D}{l}\) | \(\displaystyle m_3-\frac{D}{l}\) |
| \(D>m_3l\) | \(\displaystyle\frac{D-m_3l}{m_1c_1+Mc_2}>0\) | \(M\) | \(0\) |
In the middle regime, \(D<0\) causes freezing, \(D>0\) causes melting, and \(D=0\) leaves the phase masses unchanged. The endpoints correspond to all ice or all water at \(0^\circ\mathrm{C}\).
- b) \[ \boxed{t_f=0^\circ\mathrm{C},\qquad m_{\mathrm{water}}=0.890\ \mathrm{kg},\qquad m_{\mathrm{ice}}=2.11\ \mathrm{kg}.} \] Approximately \(0.110\ \mathrm{kg}\) of the original water freezes.
Solution
a)
With no heat loss, the heat released by cooling and freezing equals the heat absorbed by warming and melting. We use the supplied specific heats and latent heat as constants. At normal barometric pressure, liquid water and ice coexist in equilibrium at \(0^\circ\mathrm{C}\).
Let \[ A=(m_1c_1+m_2c_2)t_2 \] be the heat released when the calorimeter and the original water cool to \(0^\circ\mathrm{C}\), and let \[ B=m_3c_3(0-t_3) \] be the heat required to warm the original ice to \(0^\circ\mathrm{C}\). Their difference is \[ D=A-B=(m_1c_1+m_2c_2)t_2+m_3c_3t_3. \]
The possible processes follow from comparing this difference with the latent heats available.
Partial melting, with final temperature \(0^\circ\mathrm{C}\).
If \(0\le D\le m_3l\), the sensible heat surplus melts a mass \(x\) of ice. The equilibrium equation is \[ (m_1c_1+m_2c_2)t_2=m_3c_3(0-t_3)+xl, \] or \(A=B+xl\). Thus \[ x=\frac{D}{l},\qquad t_f=0^\circ\mathrm{C}, \] \[ m_{\mathrm{water}}=m_2+\frac{D}{l}, \qquad m_{\mathrm{ice}}=m_3-\frac{D}{l}. \] At \(D=0\), no net phase change occurs. At \(D=m_3l\), the last ice melts and the final state is entirely water at \(0^\circ\mathrm{C}\).
Complete melting, with final temperature above \(0^\circ\mathrm{C}\).
If \(D>m_3l\), all the ice melts. The calorimeter and original water cool from \(t_2\) to \(t_f\), while the added ice warms to zero, melts, and then warms as liquid water to \(t_f\): \[ (m_1c_1+m_2c_2)(t_2-t_f) = m_3c_3(0-t_3)+m_3l+m_3c_2t_f. \] Collecting the terms containing \(t_f\) gives \[ D-m_3l=\bigl[m_1c_1+(m_2+m_3)c_2\bigr]t_f. \] Therefore \[ t_f=\frac{D-m_3l}{m_1c_1+(m_2+m_3)c_2}, \qquad m_{\mathrm{water}}=m_2+m_3,\qquad m_{\mathrm{ice}}=0. \]
Partial freezing, with final temperature \(0^\circ\mathrm{C}\).
If \(-m_2l\le D<0\), cooling the calorimeter and water to zero supplies insufficient heat to warm the original ice to zero. A mass \(y\) of the original water must freeze, releasing latent heat: \[ (m_1c_1+m_2c_2)t_2+yl=m_3c_3(0-t_3). \] Hence \[ y=-\frac{D}{l},\qquad t_f=0^\circ\mathrm{C}, \] \[ m_{\mathrm{water}}=m_2-y=m_2+\frac{D}{l}, \qquad m_{\mathrm{ice}}=m_3+y=m_3-\frac{D}{l}. \] At \(D=-m_2l\), all the original water freezes, leaving only ice at \(0^\circ\mathrm{C}\).
Complete freezing, with final temperature below \(0^\circ\mathrm{C}\).
If \(D<-m_2l\), even freezing all the original water cannot bring the system to zero. The final state contains only ice at \(t_f<0\).
The calorimeter cools from \(t_2\) to \(t_f\). The original water cools to zero, freezes, and then cools as ice to \(t_f\). Their released heat warms the original ice from \(t_3\) to \(t_f\): \[ m_1c_1(t_2-t_f) +m_2c_2t_2 +m_2l +m_2c_3(0-t_f) = m_3c_3(t_f-t_3). \] Rearranging, \[ D+m_2l=\bigl[m_1c_1+(m_2+m_3)c_3\bigr]t_f, \] so \[ t_f=\frac{D+m_2l}{m_1c_1+(m_2+m_3)c_3}, \qquad m_{\mathrm{water}}=0,\qquad m_{\mathrm{ice}}=m_2+m_3. \]
These cases exhaust the possible equilibrium states.
b)
The calorimeter and water can release \[ A=(1.00\times0.1+1.00\times1)\times10 =11.0\ \mathrm{kcal} \] by cooling to \(0^\circ\mathrm{C}\).
The heat needed to warm the original ice to zero is \[ B=2.00\times0.492\times20 =19.68\ \mathrm{kcal}. \] Consequently, \[ D=A-B=-8.68\ \mathrm{kcal}. \] Since \[ -m_2l=-78.7\ \mathrm{kcal} < D < 0, \] only part of the original water freezes, and the equilibrium temperature is \(0^\circ\mathrm{C}\).
The mass that freezes is \[ y=\frac{B-A}{l} =\frac{8.68\ \mathrm{kcal}}{78.7\ \mathrm{kcal/kg}} =0.110292\ldots\ \mathrm{kg}. \] Thus \[ \boxed{m_{\mathrm{water}}=1.00-y=0.890\ \mathrm{kg}}, \] \[ \boxed{m_{\mathrm{ice}}=2.00+y=2.11\ \mathrm{kg}}, \qquad \boxed{t_f=0^\circ\mathrm{C}}. \]
The solution was checked against the official solution.
IPhO 1969 · Theorieaufgabe 2
Eis wird in Wasser in einem Kupferkalorimeter gegeben
In einem Kupferkalorimeter der Masse \(m_1\) befindet sich Wasser der Masse \(m_2\). Ihre gemeinsame Temperatur beträgt \(t_2\). Ein Eisstück der Masse \(m_3\) und der Temperatur \(t_3<0^\circ\mathrm{C}\) wird in das Kalorimeter gegeben.
a) Bestimmen Sie die Temperatur sowie die Massen von Wasser und Eis im Gleichgewichtszustand für allgemeine Werte von \(m_1,m_2,m_3,t_2\) und \(t_3\). Stellen Sie die Gleichgewichtsbedingungen für alle möglichen Vorgänge auf, die berücksichtigt werden müssen.
b) Bestimmen Sie die Endtemperatur sowie die endgültigen Massen von Wasser und Eis für \(m_1=1.00\ \mathrm{kg}\), \(m_2=1.00\ \mathrm{kg}\), \(m_3=2.00\ \mathrm{kg}\), \(t_2=10^\circ\mathrm{C}\), \(t_3=-20^\circ\mathrm{C}\).
Vernachlässigen Sie die Energieverluste und nehmen Sie normalen Luftdruck an. Die spezifische Wärmekapazität von Kupfer beträgt \(c_1=0.1\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\), die spezifische Wärmekapazität von Wasser \(c_2=1\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\), die spezifische Wärmekapazität von Eis \(c_3=0.492\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\) und die spezifische Schmelzwärme von Eis \(l=78,7\ \mathrm{kcal/kg}\). Verwenden Sie \(1\ \mathrm{cal}=4.2\ \mathrm{J}\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- a) Wir definieren die Gesamtmasse von Wasser und Eis sowie den Wärmeüberschuss bei \(0^\circ\mathrm{C}\): \[ M=m_2+m_3,\qquad D=(m_1c_1+m_2c_2)t_2+m_3c_3t_3. \] Die Gleichgewichtstemperatur \(t_f\) und die Massen sind:
| Bedingung | \(t_f\) | Endgültige Masse des flüssigen Wassers | Endgültige Eismasse |
|---|---|---|---|
| \(D<-m_2l\) | \(\displaystyle\frac{D+m_2l}{m_1c_1+Mc_3}<0\) | \(0\) | \(M\) |
| \(-m_2l\le D\le m_3l\) | \(0^\circ\mathrm{C}\) | \(\displaystyle m_2+\frac{D}{l}\) | \(\displaystyle m_3-\frac{D}{l}\) |
| \(D>m_3l\) | \(\displaystyle\frac{D-m_3l}{m_1c_1+Mc_2}>0\) | \(M\) | \(0\) |
Im mittleren Bereich führt \(D<0\) zum Gefrieren und \(D>0\) zum Schmelzen; bei \(D=0\) bleiben die Massen der beiden Phasen unverändert. Die Grenzfälle entsprechen ausschließlich Eis beziehungsweise ausschließlich Wasser bei \(0^\circ\mathrm{C}\).
- b) \[ \boxed{t_f=0^\circ\mathrm{C},\qquad m_{\mathrm{water}}=0.890\ \mathrm{kg},\qquad m_{\mathrm{ice}}=2.11\ \mathrm{kg}.} \] Etwa \(0.110\ \mathrm{kg}\) des ursprünglich vorhandenen Wassers gefrieren.
Lösung
a)
Ohne Wärmeverluste ist die beim Abkühlen und Gefrieren abgegebene Wärme gleich der beim Erwärmen und Schmelzen aufgenommenen Wärme. Wir behandeln die angegebenen spezifischen Wärmekapazitäten und die spezifische Schmelzwärme als konstant. Bei normalem Luftdruck koexistieren flüssiges Wasser und Eis im Gleichgewicht bei \(0^\circ\mathrm{C}\).
Es sei \[ A=(m_1c_1+m_2c_2)t_2 \] die Wärme, die beim Abkühlen des Kalorimeters und des ursprünglich vorhandenen Wassers auf \(0^\circ\mathrm{C}\) abgegeben wird, und \[ B=m_3c_3(0-t_3) \] die Wärme, die benötigt wird, um das ursprünglich vorhandene Eis auf \(0^\circ\mathrm{C}\) zu erwärmen. Ihre Differenz beträgt \[ D=A-B=(m_1c_1+m_2c_2)t_2+m_3c_3t_3. \]
Die möglichen Vorgänge ergeben sich aus dem Vergleich dieser Differenz mit den verfügbaren latenten Wärmemengen.
Teilweises Schmelzen bei einer Endtemperatur von \(0^\circ\mathrm{C}\).
Wenn \(0\le D\le m_3l\), schmilzt durch den Überschuss an fühlbarer Wärme eine Eismasse \(x\). Die Gleichgewichtsbedingung lautet \[ (m_1c_1+m_2c_2)t_2=m_3c_3(0-t_3)+xl, \] oder \(A=B+xl\). Somit gilt \[ x=\frac{D}{l},\qquad t_f=0^\circ\mathrm{C}, \] \[ m_{\mathrm{water}}=m_2+\frac{D}{l}, \qquad m_{\mathrm{ice}}=m_3-\frac{D}{l}. \] Bei \(D=0\) findet netto kein Phasenübergang statt. Bei \(D=m_3l\) schmilzt das letzte Eis, und im Endzustand liegt ausschließlich Wasser bei \(0^\circ\mathrm{C}\) vor.
Vollständiges Schmelzen bei einer Endtemperatur über \(0^\circ\mathrm{C}\).
Wenn \(D>m_3l\), schmilzt das gesamte Eis. Das Kalorimeter und das ursprünglich vorhandene Wasser kühlen von \(t_2\) auf \(t_f\) ab, während sich das hinzugegebene Eis auf null Grad erwärmt, schmilzt und sich anschließend als flüssiges Wasser auf \(t_f\) erwärmt: \[ (m_1c_1+m_2c_2)(t_2-t_f) = m_3c_3(0-t_3)+m_3l+m_3c_2t_f. \] Durch Zusammenfassen der Terme mit \(t_f\) erhält man \[ D-m_3l=\bigl[m_1c_1+(m_2+m_3)c_2\bigr]t_f. \] Daher gilt \[ t_f=\frac{D-m_3l}{m_1c_1+(m_2+m_3)c_2}, \qquad m_{\mathrm{water}}=m_2+m_3,\qquad m_{\mathrm{ice}}=0. \]
Teilweises Gefrieren bei einer Endtemperatur von \(0^\circ\mathrm{C}\).
Wenn \(-m_2l\le D<0\), reicht die beim Abkühlen des Kalorimeters und des Wassers auf null Grad abgegebene Wärme nicht aus, um das ursprünglich vorhandene Eis auf null Grad zu erwärmen. Eine Masse \(y\) des ursprünglich vorhandenen Wassers muss gefrieren und dabei latente Wärme freisetzen: \[ (m_1c_1+m_2c_2)t_2+yl=m_3c_3(0-t_3). \] Daraus folgt \[ y=-\frac{D}{l},\qquad t_f=0^\circ\mathrm{C}, \] \[ m_{\mathrm{water}}=m_2-y=m_2+\frac{D}{l}, \qquad m_{\mathrm{ice}}=m_3+y=m_3-\frac{D}{l}. \] Bei \(D=-m_2l\) gefriert das gesamte ursprünglich vorhandene Wasser, sodass nur Eis bei \(0^\circ\mathrm{C}\) verbleibt.
Vollständiges Gefrieren bei einer Endtemperatur unter \(0^\circ\mathrm{C}\).
Wenn \(D<-m_2l\), kann das System selbst durch das Gefrieren des gesamten ursprünglich vorhandenen Wassers nicht auf null Grad gebracht werden. Im Endzustand liegt ausschließlich Eis bei \(t_f<0\) vor.
Das Kalorimeter kühlt von \(t_2\) auf \(t_f\) ab. Das ursprünglich vorhandene Wasser kühlt auf null Grad ab, gefriert und kühlt anschließend als Eis auf \(t_f\) ab. Die dabei abgegebene Wärme erwärmt das ursprünglich vorhandene Eis von \(t_3\) auf \(t_f\): \[ m_1c_1(t_2-t_f) +m_2c_2t_2 +m_2l +m_2c_3(0-t_f) = m_3c_3(t_f-t_3). \] Durch Umstellen erhält man \[ D+m_2l=\bigl[m_1c_1+(m_2+m_3)c_3\bigr]t_f, \] also \[ t_f=\frac{D+m_2l}{m_1c_1+(m_2+m_3)c_3}, \qquad m_{\mathrm{water}}=0,\qquad m_{\mathrm{ice}}=m_2+m_3. \]
Damit sind alle möglichen Gleichgewichtszustände erfasst.
b)
Das Kalorimeter und das Wasser können die Wärme \[ A=(1.00\times0.1+1.00\times1)\times10 =11.0\ \mathrm{kcal} \] durch Abkühlen auf \(0^\circ\mathrm{C}\) abgeben.
Die Wärme, die benötigt wird, um das ursprünglich vorhandene Eis auf null Grad zu erwärmen, beträgt \[ B=2.00\times0.492\times20 =19.68\ \mathrm{kcal}. \] Folglich gilt \[ D=A-B=-8.68\ \mathrm{kcal}. \] Da \[ -m_2l=-78.7\ \mathrm{kcal} < D < 0, \] gefriert nur ein Teil des ursprünglich vorhandenen Wassers, und die Gleichgewichtstemperatur beträgt \(0^\circ\mathrm{C}\).
Die gefrierende Masse beträgt \[ y=\frac{B-A}{l} =\frac{8.68\ \mathrm{kcal}}{78.7\ \mathrm{kcal/kg}} =0.110292\ldots\ \mathrm{kg}. \] Somit gilt \[ \boxed{m_{\mathrm{water}}=1.00-y=0.890\ \mathrm{kg}}, \] \[ \boxed{m_{\mathrm{ice}}=2.00+y=2.11\ \mathrm{kg}}, \qquad \boxed{t_f=0^\circ\mathrm{C}}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 1969 · Teori sorusu 2
Bakır bir kalorimetredeki suya atılan buz
Kütlesi \(m_1\) olan bakır bir kalorimetrede \(m_2\) kütleli su bulunmaktadır. Kalorimetre ile suyun ortak sıcaklığı \(t_2\)'dir. Kalorimetreye kütlesi \(m_3\), sıcaklığı \(t_3<0^\circ\mathrm{C}\) olan bir buz parçası atılıyor.
a) \(m_1,m_2,m_3,t_2\) ve \(t_3\)'ün genel değerleri için denge durumundaki sıcaklığı, su ve buz kütlelerini belirleyiniz. Göz önünde bulundurulması gereken tüm olası süreçler için denge denklemlerini yazınız.
b) \(m_1=1.00\ \mathrm{kg}\), \(m_2=1.00\ \mathrm{kg}\), \(m_3=2.00\ \mathrm{kg}\), \(t_2=10^\circ\mathrm{C}\), \(t_3=-20^\circ\mathrm{C}\) için son sıcaklığı, son su ve buz kütlelerini bulunuz.
Enerji kayıplarını ihmal ediniz ve atmosfer basıncını normal kabul ediniz. Bakırın öz ısısı \(c_1=0.1\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\), suyun öz ısısı \(c_2=1\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\), buzun öz ısısı \(c_3=0.492\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\), buzun erime gizli ısısı \(l=78,7\ \mathrm{kcal/kg}\)'dır. \(1\ \mathrm{cal}=4.2\ \mathrm{J}\) alınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- a) Toplam su ve buz kütlesini ve \(0^\circ\mathrm{C}\)'deki ısı fazlasını tanımlayalım: \[ M=m_2+m_3,\qquad D=(m_1c_1+m_2c_2)t_2+m_3c_3t_3. \] Denge sıcaklığı \(t_f\) ve kütleler şöyledir:
| Koşul | \(t_f\) | Son sıvı su kütlesi | Son buz kütlesi |
|---|---|---|---|
| \(D<-m_2l\) | \(\displaystyle\frac{D+m_2l}{m_1c_1+Mc_3}<0\) | \(0\) | \(M\) |
| \(-m_2l\le D\le m_3l\) | \(0^\circ\mathrm{C}\) | \(\displaystyle m_2+\frac{D}{l}\) | \(\displaystyle m_3-\frac{D}{l}\) |
| \(D>m_3l\) | \(\displaystyle\frac{D-m_3l}{m_1c_1+Mc_2}>0\) | \(M\) | \(0\) |
Ortadaki durumda, \(D<0\) donmaya, \(D>0\) erimeye yol açar; \(D=0\) ise fazların kütlelerini değiştirmez. Sınır değerler, \(0^\circ\mathrm{C}\)'de tamamı buz veya tamamı su olan durumlara karşılık gelir.
- b) \[ \boxed{t_f=0^\circ\mathrm{C},\qquad m_{\mathrm{water}}=0.890\ \mathrm{kg},\qquad m_{\mathrm{ice}}=2.11\ \mathrm{kg}.} \] Başlangıçtaki suyun yaklaşık \(0.110\ \mathrm{kg}\)'ı donar.
Çözüm
a)
Isı kaybı olmadığında, soğuma ve donma sırasında açığa çıkan ısı, ısınma ve erime sırasında alınan ısıya eşittir. Verilen öz ısıları ve gizli ısıyı sabit kabul ediyoruz. Normal atmosfer basıncında, sıvı su ve buz \(0^\circ\mathrm{C}\)'de dengede bir arada bulunur.
Kalorimetre ve başlangıçtaki su \(0^\circ\mathrm{C}\)'ye soğurken açığa çıkan ısı \[ A=(m_1c_1+m_2c_2)t_2 \] olsun; başlangıçtaki buzu \(0^\circ\mathrm{C}\)'ye ısıtmak için gereken ısı da \[ B=m_3c_3(0-t_3) \] olsun. Aralarındaki fark \[ D=A-B=(m_1c_1+m_2c_2)t_2+m_3c_3t_3 \] ile verilir.
Olası süreçler, bu farkın mevcut su ve buzun faz değiştirmesiyle açığa çıkabilecek veya alınabilecek gizli ısılarla karşılaştırılmasıyla belirlenir.
Son sıcaklığın \(0^\circ\mathrm{C}\) olduğu kısmi erime.
\(0\le D\le m_3l\) ise duyulur ısı fazlası, \(x\) kütleli buzu eritir. Denge denklemi \[ (m_1c_1+m_2c_2)t_2=m_3c_3(0-t_3)+xl, \] veya \(A=B+xl\) şeklindedir. Böylece \[ x=\frac{D}{l},\qquad t_f=0^\circ\mathrm{C}, \] \[ m_{\mathrm{water}}=m_2+\frac{D}{l}, \qquad m_{\mathrm{ice}}=m_3-\frac{D}{l}. \] \(D=0\) olduğunda net faz değişimi gerçekleşmez. \(D=m_3l\) olduğunda buzun son kısmı da erir ve son durumda yalnızca \(0^\circ\mathrm{C}\)'de su bulunur.
Son sıcaklığın \(0^\circ\mathrm{C}\)'nin üzerinde olduğu tam erime.
\(D>m_3l\) ise buzun tamamı erir. Kalorimetre ve başlangıçtaki su \(t_2\)'den \(t_f\)'ye soğurken, eklenen buz sıfır dereceye kadar ısınır, erir ve ardından sıvı su olarak \(t_f\)'ye kadar ısınır: \[ (m_1c_1+m_2c_2)(t_2-t_f) = m_3c_3(0-t_3)+m_3l+m_3c_2t_f. \] \(t_f\) içeren terimler bir araya getirildiğinde \[ D-m_3l=\bigl[m_1c_1+(m_2+m_3)c_2\bigr]t_f \] elde edilir. Dolayısıyla \[ t_f=\frac{D-m_3l}{m_1c_1+(m_2+m_3)c_2}, \qquad m_{\mathrm{water}}=m_2+m_3,\qquad m_{\mathrm{ice}}=0. \]
Son sıcaklığın \(0^\circ\mathrm{C}\) olduğu kısmi donma.
\(-m_2l\le D<0\) ise kalorimetre ve suyun sıfır dereceye soğumasıyla sağlanan ısı, başlangıçtaki buzu sıfır dereceye ısıtmak için yetersizdir. Başlangıçtaki suyun \(y\) kütleli bir kısmının donarak gizli ısı açığa çıkarması gerekir: \[ (m_1c_1+m_2c_2)t_2+yl=m_3c_3(0-t_3). \] Buradan \[ y=-\frac{D}{l},\qquad t_f=0^\circ\mathrm{C}, \] \[ m_{\mathrm{water}}=m_2-y=m_2+\frac{D}{l}, \qquad m_{\mathrm{ice}}=m_3+y=m_3-\frac{D}{l}. \] \(D=-m_2l\) olduğunda başlangıçtaki suyun tamamı donar ve geriye yalnızca \(0^\circ\mathrm{C}\)'de buz kalır.
Son sıcaklığın \(0^\circ\mathrm{C}\)'nin altında olduğu tam donma.
\(D<-m_2l\) ise başlangıçtaki suyun tamamının donması bile sistemi sıfır dereceye getiremez. Son durumda yalnızca \(t_f<0\) sıcaklığında buz bulunur.
Kalorimetre \(t_2\)'den \(t_f\)'ye soğur. Başlangıçtaki su sıfır dereceye soğur, donar ve ardından buz olarak \(t_f\)'ye soğur. Açığa çıkardıkları ısı, başlangıçtaki buzu \(t_3\)'ten \(t_f\)'ye ısıtır: \[ m_1c_1(t_2-t_f) +m_2c_2t_2 +m_2l +m_2c_3(0-t_f) = m_3c_3(t_f-t_3). \] Yeniden düzenlendiğinde, \[ D+m_2l=\bigl[m_1c_1+(m_2+m_3)c_3\bigr]t_f, \] dolayısıyla \[ t_f=\frac{D+m_2l}{m_1c_1+(m_2+m_3)c_3}, \qquad m_{\mathrm{water}}=0,\qquad m_{\mathrm{ice}}=m_2+m_3. \]
Bu durumlar, olası tüm denge durumlarını kapsar.
b)
Kalorimetre ve su, \(0^\circ\mathrm{C}\)'ye soğuyarak \[ A=(1.00\times0.1+1.00\times1)\times10 =11.0\ \mathrm{kcal} \] kadar ısı açığa çıkarabilir.
Başlangıçtaki buzu sıfır dereceye ısıtmak için gereken ısı \[ B=2.00\times0.492\times20 =19.68\ \mathrm{kcal} \] olur. Buna göre, \[ D=A-B=-8.68\ \mathrm{kcal}. \] \[ -m_2l=-78.7\ \mathrm{kcal} < D < 0, \] olduğundan, başlangıçtaki suyun yalnızca bir kısmı donar ve denge sıcaklığı \(0^\circ\mathrm{C}\) olur.
Donan kütle \[ y=\frac{B-A}{l} =\frac{8.68\ \mathrm{kcal}}{78.7\ \mathrm{kcal/kg}} =0.110292\ldots\ \mathrm{kg} \] olur. Böylece \[ \boxed{m_{\mathrm{water}}=1.00-y=0.890\ \mathrm{kg}}, \] \[ \boxed{m_{\mathrm{ice}}=2.00+y=2.11\ \mathrm{kg}}, \qquad \boxed{t_f=0^\circ\mathrm{C}}. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 1969 · Problema teórico 2
Hielo introducido en agua en un calorímetro de cobre
Un calorímetro de cobre de masa \(m_1\) contiene agua de masa \(m_2\). Ambos se encuentran a la temperatura \(t_2\). Se deja caer en el calorímetro un trozo de hielo de masa \(m_3\) y temperatura \(t_3<0^\circ\mathrm{C}\).
a) Determine la temperatura y las masas de agua y hielo en el estado de equilibrio para valores generales de \(m_1,m_2,m_3,t_2\) y \(t_3\). Escriba las ecuaciones de equilibrio para todos los procesos posibles que deban considerarse.
b) Halle la temperatura final y las masas finales de agua y hielo para \(m_1=1.00\ \mathrm{kg}\), \(m_2=1.00\ \mathrm{kg}\), \(m_3=2.00\ \mathrm{kg}\), \(t_2=10^\circ\mathrm{C}\), \(t_3=-20^\circ\mathrm{C}\).
Desprecie las pérdidas de energía y suponga que la presión barométrica es normal. El calor específico del cobre es \(c_1=0.1\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\), el calor específico del agua es \(c_2=1\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\), el calor específico del hielo es \(c_3=0.492\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\) y el calor latente de fusión del hielo es \(l=78,7\ \mathrm{kcal/kg}\). Tome \(1\ \mathrm{cal}=4.2\ \mathrm{J}\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- a) Definamos la masa total de agua y hielo y el excedente de calor a \(0^\circ\mathrm{C}\): \[ M=m_2+m_3,\qquad D=(m_1c_1+m_2c_2)t_2+m_3c_3t_3. \] La temperatura de equilibrio \(t_f\) y las masas son:
| Condición | \(t_f\) | Masa final de agua líquida | Masa final de hielo |
|---|---|---|---|
| \(D<-m_2l\) | \(\displaystyle\frac{D+m_2l}{m_1c_1+Mc_3}<0\) | \(0\) | \(M\) |
| \(-m_2l\le D\le m_3l\) | \(0^\circ\mathrm{C}\) | \(\displaystyle m_2+\frac{D}{l}\) | \(\displaystyle m_3-\frac{D}{l}\) |
| \(D>m_3l\) | \(\displaystyle\frac{D-m_3l}{m_1c_1+Mc_2}>0\) | \(M\) | \(0\) |
En el régimen intermedio, \(D<0\) provoca congelación, \(D>0\) provoca fusión y \(D=0\) deja inalteradas las masas de las fases. Los extremos corresponden a un estado formado enteramente por hielo o enteramente por agua a \(0^\circ\mathrm{C}\).
- b) \[ \boxed{t_f=0^\circ\mathrm{C},\qquad m_{\mathrm{water}}=0.890\ \mathrm{kg},\qquad m_{\mathrm{ice}}=2.11\ \mathrm{kg}.} \] Se congelan aproximadamente \(0.110\ \mathrm{kg}\) del agua inicial.
Solución
a)
Sin pérdidas de calor, el calor liberado durante el enfriamiento y la congelación es igual al calor absorbido durante el calentamiento y la fusión. Utilizamos los calores específicos y el calor latente proporcionados como constantes. A presión barométrica normal, el agua líquida y el hielo coexisten en equilibrio a \(0^\circ\mathrm{C}\).
Sea \[ A=(m_1c_1+m_2c_2)t_2 \] el calor liberado cuando el calorímetro y el agua inicial se enfrían hasta \(0^\circ\mathrm{C}\), y sea \[ B=m_3c_3(0-t_3) \] el calor necesario para calentar el hielo inicial hasta \(0^\circ\mathrm{C}\). Su diferencia es \[ D=A-B=(m_1c_1+m_2c_2)t_2+m_3c_3t_3. \]
Los procesos posibles se deducen al comparar esta diferencia con los calores latentes disponibles.
Fusión parcial, con temperatura final de \(0^\circ\mathrm{C}\).
Si \(0\le D\le m_3l\), el excedente de calor sensible funde una masa \(x\) de hielo. La ecuación de equilibrio es \[ (m_1c_1+m_2c_2)t_2=m_3c_3(0-t_3)+xl, \] o bien \(A=B+xl\). Por tanto, \[ x=\frac{D}{l},\qquad t_f=0^\circ\mathrm{C}, \] \[ m_{\mathrm{water}}=m_2+\frac{D}{l}, \qquad m_{\mathrm{ice}}=m_3-\frac{D}{l}. \] Cuando \(D=0\), no se produce ningún cambio neto de fase. Cuando \(D=m_3l\), se funde el último resto de hielo y el estado final está formado enteramente por agua a \(0^\circ\mathrm{C}\).
Fusión completa, con temperatura final superior a \(0^\circ\mathrm{C}\).
Si \(D>m_3l\), todo el hielo se funde. El calorímetro y el agua inicial se enfrían de \(t_2\) a \(t_f\), mientras que el hielo añadido se calienta hasta cero, se funde y después se calienta como agua líquida hasta \(t_f\): \[ (m_1c_1+m_2c_2)(t_2-t_f) = m_3c_3(0-t_3)+m_3l+m_3c_2t_f. \] Agrupando los términos que contienen \(t_f\), se obtiene \[ D-m_3l=\bigl[m_1c_1+(m_2+m_3)c_2\bigr]t_f. \] Por tanto, \[ t_f=\frac{D-m_3l}{m_1c_1+(m_2+m_3)c_2}, \qquad m_{\mathrm{water}}=m_2+m_3,\qquad m_{\mathrm{ice}}=0. \]
Congelación parcial, con temperatura final de \(0^\circ\mathrm{C}\).
Si \(-m_2l\le D<0\), el enfriamiento del calorímetro y del agua hasta cero no proporciona suficiente calor para calentar el hielo inicial hasta cero. Debe congelarse una masa \(y\) del agua inicial, liberando calor latente: \[ (m_1c_1+m_2c_2)t_2+yl=m_3c_3(0-t_3). \] De ahí, \[ y=-\frac{D}{l},\qquad t_f=0^\circ\mathrm{C}, \] \[ m_{\mathrm{water}}=m_2-y=m_2+\frac{D}{l}, \qquad m_{\mathrm{ice}}=m_3+y=m_3-\frac{D}{l}. \] Cuando \(D=-m_2l\), toda el agua inicial se congela y queda únicamente hielo a \(0^\circ\mathrm{C}\).
Congelación completa, con temperatura final inferior a \(0^\circ\mathrm{C}\).
Si \(D<-m_2l\), ni siquiera la congelación de toda el agua inicial puede llevar el sistema a cero. El estado final contiene únicamente hielo a \(t_f<0\).
El calorímetro se enfría de \(t_2\) a \(t_f\). El agua inicial se enfría hasta cero, se congela y después se enfría como hielo hasta \(t_f\). El calor que liberan calienta el hielo inicial de \(t_3\) a \(t_f\): \[ m_1c_1(t_2-t_f) +m_2c_2t_2 +m_2l +m_2c_3(0-t_f) = m_3c_3(t_f-t_3). \] Reordenando, \[ D+m_2l=\bigl[m_1c_1+(m_2+m_3)c_3\bigr]t_f, \] por lo que \[ t_f=\frac{D+m_2l}{m_1c_1+(m_2+m_3)c_3}, \qquad m_{\mathrm{water}}=0,\qquad m_{\mathrm{ice}}=m_2+m_3. \]
Estos casos abarcan todos los estados de equilibrio posibles.
b)
El calorímetro y el agua pueden liberar \[ A=(1.00\times0.1+1.00\times1)\times10 =11.0\ \mathrm{kcal} \] al enfriarse hasta \(0^\circ\mathrm{C}\).
El calor necesario para calentar el hielo inicial hasta cero es \[ B=2.00\times0.492\times20 =19.68\ \mathrm{kcal}. \] En consecuencia, \[ D=A-B=-8.68\ \mathrm{kcal}. \] Como \[ -m_2l=-78.7\ \mathrm{kcal} < D < 0, \] solo se congela una parte del agua inicial, y la temperatura de equilibrio es \(0^\circ\mathrm{C}\).
La masa que se congela es \[ y=\frac{B-A}{l} =\frac{8.68\ \mathrm{kcal}}{78.7\ \mathrm{kcal/kg}} =0.110292\ldots\ \mathrm{kg}. \] Por tanto, \[ \boxed{m_{\mathrm{water}}=1.00-y=0.890\ \mathrm{kg}}, \] \[ \boxed{m_{\mathrm{ice}}=2.00+y=2.11\ \mathrm{kg}}, \qquad \boxed{t_f=0^\circ\mathrm{C}}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 1969 · 理论题 2
将冰块投入铜量热器中的水中
质量为 \(m_1\) 的铜量热器中盛有质量为 \(m_2\) 的水。二者的共同温度为 \(t_2\)。将一块质量为 \(m_3\)、温度为 \(t_3<0^\circ\mathrm{C}\) 的冰投入量热器中。
a) 对于一般的 \(m_1,m_2,m_3,t_2\) 和 \(t_3\) 值,求平衡状态下的温度以及水和冰的质量。对所有需要考虑的可能过程写出平衡方程。
b) 当 \(m_1=1.00\ \mathrm{kg}\)、\(m_2=1.00\ \mathrm{kg}\)、\(m_3=2.00\ \mathrm{kg}\)、\(t_2=10^\circ\mathrm{C}\)、\(t_3=-20^\circ\mathrm{C}\) 时,求最终温度以及水和冰的最终质量。
忽略能量损失,假设气压为标准大气压。铜的比热容为 \(c_1=0.1\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\),水的比热容为 \(c_2=1\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\),冰的比热容为 \(c_3=0.492\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\),冰的熔化潜热为 \(l=78,7\ \mathrm{kcal/kg}\)。取 \(1\ \mathrm{cal}=4.2\ \mathrm{J}\)。
题目译自官方英文原文。
答案
- a) 定义水和冰的总质量,以及在 \(0^\circ\mathrm{C}\) 时的热量盈余: \[ M=m_2+m_3,\qquad D=(m_1c_1+m_2c_2)t_2+m_3c_3t_3. \] 平衡温度 \(t_f\) 和各相质量为:
| 条件 | \(t_f\) | 最终液态水的质量 | 最终冰的质量 |
|---|---|---|---|
| \(D<-m_2l\) | \(\displaystyle\frac{D+m_2l}{m_1c_1+Mc_3}<0\) | \(0\) | \(M\) |
| \(-m_2l\le D\le m_3l\) | \(0^\circ\mathrm{C}\) | \(\displaystyle m_2+\frac{D}{l}\) | \(\displaystyle m_3-\frac{D}{l}\) |
| \(D>m_3l\) | \(\displaystyle\frac{D-m_3l}{m_1c_1+Mc_2}>0\) | \(M\) | \(0\) |
在中间情形中,\(D<0\) 时发生凝固,\(D>0\) 时发生熔化,\(D=0\) 时各相的质量保持不变。两个端点分别对应于在 \(0^\circ\mathrm{C}\) 时全部为冰或全部为水的状态。
- b) \[ \boxed{t_f=0^\circ\mathrm{C},\qquad m_{\mathrm{water}}=0.890\ \mathrm{kg},\qquad m_{\mathrm{ice}}=2.11\ \mathrm{kg}.} \] 原有的水中约有 \(0.110\ \mathrm{kg}\) 凝固。
解答
a)
在没有热量损失的情况下,降温和凝固放出的热量等于升温和熔化吸收的热量。将题目给出的比热容和熔化潜热视为常量。在标准大气压下,液态水和冰在 \(0^\circ\mathrm{C}\) 时平衡共存。
令 \[ A=(m_1c_1+m_2c_2)t_2 \] 表示量热器和原有的水冷却至 \(0^\circ\mathrm{C}\) 时放出的热量,并令 \[ B=m_3c_3(0-t_3) \] 表示使原有的冰升温至 \(0^\circ\mathrm{C}\) 所需的热量。两者之差为 \[ D=A-B=(m_1c_1+m_2c_2)t_2+m_3c_3t_3. \]
将这一差值与相变所能吸收或放出的潜热进行比较,即可确定可能发生的过程。
部分熔化,最终温度为 \(0^\circ\mathrm{C}\)。
若 \(0\le D\le m_3l\),显热盈余使质量为 \(x\) 的冰熔化。热平衡方程为 \[ (m_1c_1+m_2c_2)t_2=m_3c_3(0-t_3)+xl, \] 即 \(A=B+xl\)。因此 \[ x=\frac{D}{l},\qquad t_f=0^\circ\mathrm{C}, \] \[ m_{\mathrm{water}}=m_2+\frac{D}{l}, \qquad m_{\mathrm{ice}}=m_3-\frac{D}{l}. \] 当 \(D=0\) 时,不发生净相变。当 \(D=m_3l\) 时,最后剩余的冰恰好熔化,最终状态为全部是 \(0^\circ\mathrm{C}\) 的水。
完全熔化,最终温度高于 \(0^\circ\mathrm{C}\)。
若 \(D>m_3l\),所有的冰均熔化。量热器和原有的水从 \(t_2\) 冷却至 \(t_f\),而投入的冰先升温至零摄氏度,然后熔化,再以液态水的形式升温至 \(t_f\): \[ (m_1c_1+m_2c_2)(t_2-t_f) = m_3c_3(0-t_3)+m_3l+m_3c_2t_f. \] 合并含有 \(t_f\) 的项,得到 \[ D-m_3l=\bigl[m_1c_1+(m_2+m_3)c_2\bigr]t_f. \] 因此 \[ t_f=\frac{D-m_3l}{m_1c_1+(m_2+m_3)c_2}, \qquad m_{\mathrm{water}}=m_2+m_3,\qquad m_{\mathrm{ice}}=0. \]
部分凝固,最终温度为 \(0^\circ\mathrm{C}\)。
若 \(-m_2l\le D<0\),量热器和水冷却至零摄氏度时放出的热量不足以使原有的冰升温至零摄氏度。原有的水中必须有质量为 \(y\) 的部分凝固,释放潜热: \[ (m_1c_1+m_2c_2)t_2+yl=m_3c_3(0-t_3). \] 于是 \[ y=-\frac{D}{l},\qquad t_f=0^\circ\mathrm{C}, \] \[ m_{\mathrm{water}}=m_2-y=m_2+\frac{D}{l}, \qquad m_{\mathrm{ice}}=m_3+y=m_3-\frac{D}{l}. \] 当 \(D=-m_2l\) 时,原有的水全部凝固,最终只剩下 \(0^\circ\mathrm{C}\) 的冰。
完全凝固,最终温度低于 \(0^\circ\mathrm{C}\)。
若 \(D<-m_2l\),即使原有的水全部凝固,也不足以使系统达到零摄氏度。最终状态中只有温度为 \(t_f<0\) 的冰。
量热器从 \(t_2\) 冷却至 \(t_f\)。原有的水先冷却至零摄氏度,然后凝固,再以冰的形式冷却至 \(t_f\)。它们放出的热量使原有的冰从 \(t_3\) 升温至 \(t_f\): \[ m_1c_1(t_2-t_f) +m_2c_2t_2 +m_2l +m_2c_3(0-t_f) = m_3c_3(t_f-t_3). \] 整理得 \[ D+m_2l=\bigl[m_1c_1+(m_2+m_3)c_3\bigr]t_f, \] 因此 \[ t_f=\frac{D+m_2l}{m_1c_1+(m_2+m_3)c_3}, \qquad m_{\mathrm{water}}=0,\qquad m_{\mathrm{ice}}=m_2+m_3. \]
这些情形涵盖了所有可能的平衡状态。
b)
量热器和水能够放出 \[ A=(1.00\times0.1+1.00\times1)\times10 =11.0\ \mathrm{kcal} \] 的热量,只需将它们冷却至 \(0^\circ\mathrm{C}\)。
使原有的冰升温至零摄氏度所需的热量为 \[ B=2.00\times0.492\times20 =19.68\ \mathrm{kcal}. \] 因此, \[ D=A-B=-8.68\ \mathrm{kcal}. \] 由于 \[ -m_2l=-78.7\ \mathrm{kcal} < D < 0, \] 原有的水只有一部分凝固,平衡温度为 \(0^\circ\mathrm{C}\)。
凝固的水的质量为 \[ y=\frac{B-A}{l} =\frac{8.68\ \mathrm{kcal}}{78.7\ \mathrm{kcal/kg}} =0.110292\ldots\ \mathrm{kg}. \] 因此 \[ \boxed{m_{\mathrm{water}}=1.00-y=0.890\ \mathrm{kg}}, \] \[ \boxed{m_{\mathrm{ice}}=2.00+y=2.11\ \mathrm{kg}}, \qquad \boxed{t_f=0^\circ\mathrm{C}}. \]
解答已与官方解答核对。
IPhO 1969 · Теоретическая задача 2
Лёд, опущенный в воду в медном калориметре
В медном калориметре массой \(m_1\) находится вода массой \(m_2\). Их общая температура равна \(t_2\). В калориметр опускают кусок льда массой \(m_3\) и температурой \(t_3<0^\circ\mathrm{C}\).
a) Определите температуру и массы воды и льда в состоянии равновесия при произвольных значениях \(m_1,m_2,m_3,t_2\) и \(t_3\). Запишите уравнения теплового баланса для всех возможных процессов, которые необходимо рассмотреть.
b) Найдите конечную температуру и конечные массы воды и льда при \(m_1=1.00\ \mathrm{kg}\), \(m_2=1.00\ \mathrm{kg}\), \(m_3=2.00\ \mathrm{kg}\), \(t_2=10^\circ\mathrm{C}\), \(t_3=-20^\circ\mathrm{C}\).
Пренебрегите потерями энергии; считайте атмосферное давление нормальным. Удельная теплоёмкость меди равна \(c_1=0.1\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\), удельная теплоёмкость воды — \(c_2=1\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\), удельная теплоёмкость льда — \(c_3=0.492\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\), удельная теплота плавления льда — \(l=78,7\ \mathrm{kcal/kg}\). Примите \(1\ \mathrm{cal}=4.2\ \mathrm{J}\).
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- a) Введём суммарную массу воды и льда и избыток теплоты при \(0^\circ\mathrm{C}\): \[ M=m_2+m_3,\qquad D=(m_1c_1+m_2c_2)t_2+m_3c_3t_3. \] Равновесная температура \(t_f\) и массы равны:
| Условие | \(t_f\) | Конечная масса жидкой воды | Конечная масса льда |
|---|---|---|---|
| \(D<-m_2l\) | \(\displaystyle\frac{D+m_2l}{m_1c_1+Mc_3}<0\) | \(0\) | \(M\) |
| \(-m_2l\le D\le m_3l\) | \(0^\circ\mathrm{C}\) | \(\displaystyle m_2+\frac{D}{l}\) | \(\displaystyle m_3-\frac{D}{l}\) |
| \(D>m_3l\) | \(\displaystyle\frac{D-m_3l}{m_1c_1+Mc_2}>0\) | \(M\) | \(0\) |
В среднем случае при \(D<0\) происходит замерзание, при \(D>0\) — плавление, а при \(D=0\) массы фаз остаются неизменными. Граничные значения соответствуют состояниям, в которых имеется только лёд или только вода при \(0^\circ\mathrm{C}\).
- b) \[ \boxed{t_f=0^\circ\mathrm{C},\qquad m_{\mathrm{water}}=0.890\ \mathrm{kg},\qquad m_{\mathrm{ice}}=2.11\ \mathrm{kg}.} \] Замерзает приблизительно \(0.110\ \mathrm{kg}\) исходной воды.
Решение
a)
При отсутствии теплопотерь количество теплоты, выделяющееся при охлаждении и замерзании, равно количеству теплоты, поглощаемому при нагревании и плавлении. Будем считать заданные удельные теплоёмкости и удельную теплоту плавления постоянными. При нормальном атмосферном давлении жидкая вода и лёд сосуществуют в равновесии при \(0^\circ\mathrm{C}\).
Пусть \[ A=(m_1c_1+m_2c_2)t_2 \] — количество теплоты, выделяющееся при охлаждении калориметра и исходной воды до \(0^\circ\mathrm{C}\), а \[ B=m_3c_3(0-t_3) \] — количество теплоты, необходимое для нагревания исходного льда до \(0^\circ\mathrm{C}\). Их разность равна \[ D=A-B=(m_1c_1+m_2c_2)t_2+m_3c_3t_3. \]
Возможные процессы определяются сравнением этой разности с количеством теплоты, которое может быть поглощено или выделено при фазовых переходах.
Частичное плавление с конечной температурой \(0^\circ\mathrm{C}\).
Если \(0\le D\le m_3l\), избыток теплоты, обусловленный изменением температуры, идёт на плавление льда массой \(x\). Уравнение теплового баланса имеет вид \[ (m_1c_1+m_2c_2)t_2=m_3c_3(0-t_3)+xl, \] или \(A=B+xl\). Следовательно, \[ x=\frac{D}{l},\qquad t_f=0^\circ\mathrm{C}, \] \[ m_{\mathrm{water}}=m_2+\frac{D}{l}, \qquad m_{\mathrm{ice}}=m_3-\frac{D}{l}. \] При \(D=0\) результирующее изменение фазового состава отсутствует. При \(D=m_3l\) лёд полностью плавится, и в конечном состоянии остаётся только вода при \(0^\circ\mathrm{C}\).
Полное плавление с конечной температурой выше \(0^\circ\mathrm{C}\).
Если \(D>m_3l\), весь лёд плавится. Калориметр и исходная вода охлаждаются от \(t_2\) до \(t_f\), а добавленный лёд нагревается до нуля, плавится, после чего образовавшаяся жидкая вода нагревается до \(t_f\): \[ (m_1c_1+m_2c_2)(t_2-t_f) = m_3c_3(0-t_3)+m_3l+m_3c_2t_f. \] Собирая члены, содержащие \(t_f\), получаем \[ D-m_3l=\bigl[m_1c_1+(m_2+m_3)c_2\bigr]t_f. \] Следовательно, \[ t_f=\frac{D-m_3l}{m_1c_1+(m_2+m_3)c_2}, \qquad m_{\mathrm{water}}=m_2+m_3,\qquad m_{\mathrm{ice}}=0. \]
Частичное замерзание с конечной температурой \(0^\circ\mathrm{C}\).
Если \(-m_2l\le D<0\), теплоты, выделяющейся при охлаждении калориметра и воды до нуля, недостаточно для нагревания исходного льда до нуля. Часть исходной воды массой \(y\) должна замёрзнуть, выделив теплоту кристаллизации: \[ (m_1c_1+m_2c_2)t_2+yl=m_3c_3(0-t_3). \] Отсюда \[ y=-\frac{D}{l},\qquad t_f=0^\circ\mathrm{C}, \] \[ m_{\mathrm{water}}=m_2-y=m_2+\frac{D}{l}, \qquad m_{\mathrm{ice}}=m_3+y=m_3-\frac{D}{l}. \] При \(D=-m_2l\) вся исходная вода замерзает, и остаётся только лёд при \(0^\circ\mathrm{C}\).
Полное замерзание с конечной температурой ниже \(0^\circ\mathrm{C}\).
Если \(D<-m_2l\), даже замерзание всей исходной воды не позволяет довести температуру системы до нуля. В конечном состоянии имеется только лёд при \(t_f<0\).
Калориметр охлаждается от \(t_2\) до \(t_f\). Исходная вода охлаждается до нуля, замерзает, а затем образовавшийся лёд охлаждается до \(t_f\). Выделяющаяся при этом теплота нагревает исходный лёд от \(t_3\) до \(t_f\): \[ m_1c_1(t_2-t_f) +m_2c_2t_2 +m_2l +m_2c_3(0-t_f) = m_3c_3(t_f-t_3). \] Перегруппировывая члены, получаем \[ D+m_2l=\bigl[m_1c_1+(m_2+m_3)c_3\bigr]t_f, \] так что \[ t_f=\frac{D+m_2l}{m_1c_1+(m_2+m_3)c_3}, \qquad m_{\mathrm{water}}=0,\qquad m_{\mathrm{ice}}=m_2+m_3. \]
Эти случаи исчерпывают все возможные состояния равновесия.
b)
Калориметр и вода могут выделить \[ A=(1.00\times0.1+1.00\times1)\times10 =11.0\ \mathrm{kcal} \] при охлаждении до \(0^\circ\mathrm{C}\).
Количество теплоты, необходимое для нагревания исходного льда до нуля, равно \[ B=2.00\times0.492\times20 =19.68\ \mathrm{kcal}. \] Следовательно, \[ D=A-B=-8.68\ \mathrm{kcal}. \] Поскольку \[ -m_2l=-78.7\ \mathrm{kcal} < D < 0, \] замерзает лишь часть исходной воды, а равновесная температура равна \(0^\circ\mathrm{C}\).
Масса замерзающей воды равна \[ y=\frac{B-A}{l} =\frac{8.68\ \mathrm{kcal}}{78.7\ \mathrm{kcal/kg}} =0.110292\ldots\ \mathrm{kg}. \] Таким образом, \[ \boxed{m_{\mathrm{water}}=1.00-y=0.890\ \mathrm{kg}}, \] \[ \boxed{m_{\mathrm{ice}}=2.00+y=2.11\ \mathrm{kg}}, \qquad \boxed{t_f=0^\circ\mathrm{C}}. \]
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 1969 · مسألة نظرية 2
إسقاط قطعة من الجليد في ماء داخل مسعر نحاسي
يحتوي مسعر نحاسي كتلته \(m_1\) على ماء كتلته \(m_2\). ودرجة حرارتهما المشتركة هي \(t_2\). تُسقط في المسعر قطعة من الجليد كتلتها \(m_3\) ودرجة حرارتها \(t_3<0^\circ\mathrm{C}\).
a) حدّد درجة الحرارة وكتلتي الماء والجليد في حالة الاتزان لقيم عامة من \(m_1,m_2,m_3,t_2\) و\(t_3\). اكتب معادلات الاتزان لجميع العمليات الممكنة التي ينبغي أخذها في الحسبان.
b) أوجد درجة الحرارة النهائية وكتلتي الماء والجليد النهائيتين عندما تكون \(m_1=1.00\ \mathrm{kg}\)، و\(m_2=1.00\ \mathrm{kg}\)، و\(m_3=2.00\ \mathrm{kg}\)، و\(t_2=10^\circ\mathrm{C}\)، و\(t_3=-20^\circ\mathrm{C}\).
أهمل فقدان الطاقة، وافترض أن الضغط الجوي نظامي. الحرارة النوعية للنحاس هي \(c_1=0.1\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\)، والحرارة النوعية للماء \(c_2=1\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\)، والحرارة النوعية للجليد \(c_3=0.492\ \mathrm{kcal/kg\cdot{}^\circ C}\)، والحرارة الكامنة لانصهار الجليد \(l=78,7\ \mathrm{kcal/kg}\). خذ \(1\ \mathrm{cal}=4.2\ \mathrm{J}\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- a) نعرّف الكتلة الكلية للماء والجليد معًا وفائض الحرارة عند \(0^\circ\mathrm{C}\): \[ M=m_2+m_3,\qquad D=(m_1c_1+m_2c_2)t_2+m_3c_3t_3. \] تكون درجة حرارة الاتزان \(t_f\) والكتلتان كما يأتي:
| الشرط | \(t_f\) | الكتلة النهائية للماء السائل | الكتلة النهائية للجليد |
|---|---|---|---|
| \(D<-m_2l\) | \(\displaystyle\frac{D+m_2l}{m_1c_1+Mc_3}<0\) | \(0\) | \(M\) |
| \(-m_2l\le D\le m_3l\) | \(0^\circ\mathrm{C}\) | \(\displaystyle m_2+\frac{D}{l}\) | \(\displaystyle m_3-\frac{D}{l}\) |
| \(D>m_3l\) | \(\displaystyle\frac{D-m_3l}{m_1c_1+Mc_2}>0\) | \(M\) | \(0\) |
في الحالة الوسطى، تؤدي \(D<0\) إلى التجمد، وتؤدي \(D>0\) إلى الانصهار، بينما تُبقي \(D=0\) كتلتي الطورين دون تغيير. ويقابل الطرفان حالتين تكون فيهما الكتلة كلها جليدًا أو ماءً عند \(0^\circ\mathrm{C}\).
- b) \[ \boxed{t_f=0^\circ\mathrm{C},\qquad m_{\mathrm{water}}=0.890\ \mathrm{kg},\qquad m_{\mathrm{ice}}=2.11\ \mathrm{kg}.} \] يتجمد نحو \(0.110\ \mathrm{kg}\) من الماء الموجود في البداية.
الحل
a)
في غياب الفقد الحراري، تساوي الحرارة المنطلقة نتيجة التبريد والتجمد الحرارة الممتصة نتيجة التسخين والانصهار. نستخدم قيم الحرارة النوعية والحرارة الكامنة المعطاة بوصفها ثوابت. عند الضغط الجوي النظامي، يتعايش الماء السائل والجليد في حالة اتزان عند \(0^\circ\mathrm{C}\).
لتكن \[ A=(m_1c_1+m_2c_2)t_2 \] الحرارة المنطلقة عندما يبرد المسعر والماء الموجود في البداية إلى \(0^\circ\mathrm{C}\)، ولتكن \[ B=m_3c_3(0-t_3) \] الحرارة اللازمة لتسخين الجليد الموجود في البداية إلى \(0^\circ\mathrm{C}\). والفرق بينهما هو \[ D=A-B=(m_1c_1+m_2c_2)t_2+m_3c_3t_3. \]
تتحدد العمليات الممكنة بمقارنة هذا الفرق بكميات الحرارة الكامنة المتاحة.
انصهار جزئي، مع درجة حرارة نهائية تساوي \(0^\circ\mathrm{C}\).
إذا كان \(0\le D\le m_3l\)، فإن فائض الحرارة المحسوسة يصهر كتلة \(x\) من الجليد. وتكون معادلة الاتزان \[ (m_1c_1+m_2c_2)t_2=m_3c_3(0-t_3)+xl, \] أو \(A=B+xl\). ومن ثم \[ x=\frac{D}{l},\qquad t_f=0^\circ\mathrm{C}, \] \[ m_{\mathrm{water}}=m_2+\frac{D}{l}, \qquad m_{\mathrm{ice}}=m_3-\frac{D}{l}. \] عند \(D=0\)، لا يحدث تغير صافٍ في الطور. وعند \(D=m_3l\)، ينصهر آخر ما تبقى من الجليد وتكون الحالة النهائية ماءً بالكامل عند \(0^\circ\mathrm{C}\).
انصهار كامل، مع درجة حرارة نهائية أعلى من \(0^\circ\mathrm{C}\).
إذا كان \(D>m_3l\)، فإن الجليد كله ينصهر. يبرد المسعر والماء الموجود في البداية من \(t_2\) إلى \(t_f\)، بينما يسخن الجليد المضاف إلى الصفر، ثم ينصهر، ثم يسخن بوصفه ماءً سائلًا إلى \(t_f\): \[ (m_1c_1+m_2c_2)(t_2-t_f) = m_3c_3(0-t_3)+m_3l+m_3c_2t_f. \] بتجميع الحدود التي تحتوي على \(t_f\)، نحصل على \[ D-m_3l=\bigl[m_1c_1+(m_2+m_3)c_2\bigr]t_f. \] إذن \[ t_f=\frac{D-m_3l}{m_1c_1+(m_2+m_3)c_2}, \qquad m_{\mathrm{water}}=m_2+m_3,\qquad m_{\mathrm{ice}}=0. \]
تجمد جزئي، مع درجة حرارة نهائية تساوي \(0^\circ\mathrm{C}\).
إذا كان \(-m_2l\le D<0\)، فإن تبريد المسعر والماء إلى الصفر يوفر حرارة غير كافية لتسخين الجليد الموجود في البداية إلى الصفر. لذا لا بد من تجمد كتلة \(y\) من الماء الموجود في البداية، مطلقةً حرارة كامنة: \[ (m_1c_1+m_2c_2)t_2+yl=m_3c_3(0-t_3). \] ومن ثم \[ y=-\frac{D}{l},\qquad t_f=0^\circ\mathrm{C}, \] \[ m_{\mathrm{water}}=m_2-y=m_2+\frac{D}{l}, \qquad m_{\mathrm{ice}}=m_3+y=m_3-\frac{D}{l}. \] عند \(D=-m_2l\)، يتجمد كل الماء الموجود في البداية، فلا يبقى سوى الجليد عند \(0^\circ\mathrm{C}\).
تجمد كامل، مع درجة حرارة نهائية أدنى من \(0^\circ\mathrm{C}\).
إذا كان \(D<-m_2l\)، فحتى تجميد كل الماء الموجود في البداية لا يكفي لإيصال المنظومة إلى الصفر. ولا تحتوي الحالة النهائية إلا على جليد عند \(t_f<0\).
يبرد المسعر من \(t_2\) إلى \(t_f\). ويبرد الماء الموجود في البداية إلى الصفر، ثم يتجمد، ثم يبرد بوصفه جليدًا إلى \(t_f\). وتعمل الحرارة المنطلقة منهما على تسخين الجليد الموجود في البداية من \(t_3\) إلى \(t_f\): \[ m_1c_1(t_2-t_f) +m_2c_2t_2 +m_2l +m_2c_3(0-t_f) = m_3c_3(t_f-t_3). \] بإعادة الترتيب، \[ D+m_2l=\bigl[m_1c_1+(m_2+m_3)c_3\bigr]t_f, \] وعليه \[ t_f=\frac{D+m_2l}{m_1c_1+(m_2+m_3)c_3}, \qquad m_{\mathrm{water}}=0,\qquad m_{\mathrm{ice}}=m_2+m_3. \]
تشمل هذه الحالات جميع حالات الاتزان الممكنة.
b)
يمكن للمسعر والماء إطلاق حرارة مقدارها \[ A=(1.00\times0.1+1.00\times1)\times10 =11.0\ \mathrm{kcal} \] بالتبريد إلى \(0^\circ\mathrm{C}\).
الحرارة اللازمة لتسخين الجليد الموجود في البداية إلى الصفر هي \[ B=2.00\times0.492\times20 =19.68\ \mathrm{kcal}. \] وبالتالي، \[ D=A-B=-8.68\ \mathrm{kcal}. \] بما أن \[ -m_2l=-78.7\ \mathrm{kcal} < D < 0, \] فإن جزءًا فقط من الماء الموجود في البداية يتجمد، وتكون درجة حرارة الاتزان \(0^\circ\mathrm{C}\).
الكتلة التي تتجمد هي \[ y=\frac{B-A}{l} =\frac{8.68\ \mathrm{kcal}}{78.7\ \mathrm{kcal/kg}} =0.110292\ldots\ \mathrm{kg}. \] إذن \[ \boxed{m_{\mathrm{water}}=1.00-y=0.890\ \mathrm{kg}}, \] \[ \boxed{m_{\mathrm{ice}}=2.00+y=2.11\ \mathrm{kg}}, \qquad \boxed{t_f=0^\circ\mathrm{C}}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.