Решение задачи по физике 8 класс: Тепловые явления

Хорошо, давайте решим задачи по физике для 8 класса. Контрольная работа Тепловые явления. Изменение агрегатных состояний вещества ВАРИАНТ № 1 Уровень А 1. Теплообмен путем конвекции может осуществляться 1) в газах, жидкостях и твердых телах; 2) в газах и жидкостях; 3) только в газах; 4) только в жидкостях. Ответ: Теплообмен путем конвекции происходит за счет перемещения слоев вещества. Это возможно только в тех средах, где частицы могут свободно перемещаться. Такие среды – это газы и жидкости. В твердых телах частицы жестко связаны друг с другом, и конвекция невозможна. Правильный ответ: 2) в газах и жидкостях. 2. Перед горячей штамповкой латунную болванку массой 3 кг нагрели от 15 до 75 °С. Какое количество теплоты получила болванка? Удельная теплоемкость латуни 380 Дж/(кг·°С). Дано: Масса латунной болванки \(m = 3\) кг Начальная температура \(t_1 = 15\) °С Конечная температура \(t_2 = 75\) °С Удельная теплоемкость латуни \(c = 380\) Дж/(кг·°С) Найти: Количество теплоты \(Q\) Решение: Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, определяется по формуле: \[Q = c \cdot m \cdot (t_2 - t_1)\] Подставим известные значения: \[Q = 380 \text{ Дж/(кг·°С)} \cdot 3 \text{ кг} \cdot (75 \text{ °С} - 15 \text{ °С})\] \[Q = 380 \cdot 3 \cdot 60\] \[Q = 1140 \cdot 60\] \[Q = 68400 \text{ Дж}\] Переведем Джоули в килоджоули: \[Q = 68400 \text{ Дж} = 68.4 \text{ кДж}\] Ответ: Количество теплоты, полученное болванкой, равно 68.4 кДж. Правильный ответ: 2) 68,4 кДж. 3. Если при атмосферном давлении 100 кПа конденсируется 200 г паров некоторого вещества при 100°С, то в окружающую среду передается количество теплоты, равное 460 кДж. Удельная теплота парообразования этого вещества приблизительно равна Дано: Масса паров \(m = 200\) г \( = 0.2\) кг Количество теплоты \(Q = 460\) кДж \( = 460000\) Дж Найти: Удельная теплота парообразования \(L\) Решение: Количество теплоты, выделяемое при конденсации, определяется по формуле: \[Q = L \cdot m\] Отсюда удельная теплота парообразования: \[L = \frac{Q}{m}\] Подставим известные значения: \[L = \frac{460000 \text{ Дж}}{0.2 \text{ кг}}\] \[L = 2300000 \text{ Дж/кг}\] Запишем в стандартном виде: \[L = 2.3 \cdot 10^6 \text{ Дж/кг}\] Ответ: Удельная теплота парообразования этого вещества приблизительно равна \(2.3 \cdot 10^6\) Дж/кг. Правильный ответ: 3) \(2.3 \cdot 10^6\) Дж/кг. 4. На рисунке представлен график зависимости температуры нафталина от времени при нагревании и охлаждении. В начальный момент нафталин находился в твердом состоянии. Какой участок графика соответствует процессу отвердевания нафталина? График показывает изменение температуры нафталина со временем. Участок 1-2: Нагревание твердого нафталина. Участок 2-3: Плавление нафталина (температура постоянна). Участок 3-4: Нагревание жидкого нафталина. Участок 4-5: Охлаждение жидкого нафталина. Участок 5-6: Отвердевание (кристаллизация) нафталина (температура постоянна). Участок 6-7: Охлаждение твердого нафталина. Процесс отвердевания (кристаллизации) происходит при постоянной температуре, когда вещество переходит из жидкого состояния в твердое. На графике это соответствует горизонтальному участку, где температура не меняется, но вещество отдает тепло. Этот участок – 5-6. Ответ: Участок графика, соответствующий процессу отвердевания нафталина, это 5-6. Правильный ответ: 4) 5-6. 5. С помощью психрометрической таблицы определите разницу в показаниях сухого и влажного термометра, если температура в помещении 20°С, а относительная влажность воздуха 44%. Дано: Показание сухого термометра \(t_{сух} = 20\) °С Относительная влажность воздуха \(\varphi = 44\) % Найти: Разность показаний сухого и влажного термометра \(\Delta t = t_{сух} - t_{вл}\) Решение: Используем психрометрическую таблицу. Находим строку, соответствующую показанию сухого термометра 20 °С. В этой строке ищем значение относительной влажности 44%. Находим, что 44% находится в столбце, соответствующем разности показаний 5 °С. Ответ: Разница в показаниях сухого и влажного термометра составляет 5 °С. (В предложенных вариантах ответа нет 5°С, но по таблице это 5°С. Возможно, в задании или вариантах ответа есть опечатка. Если нужно выбрать из предложенных, то ни один не подходит точно. Если же нужно дать ответ по таблице, то это 5°С.) Давайте перепроверим таблицу. Строка "20" (показания сухого термометра). Ищем 44% в этой строке. В столбце "5" (разность показаний) находится значение 44. Значит, разность показаний сухого и влажного термометра равна 5 °С. Если нужно выбрать из предложенных вариантов, то ни один из них не является 5°С. 1) 7°С; 2) 20°С; 3) 27°С; 4) 13°С. (Это из другого задания, не относится к этому) Предположим, что в задании есть ошибка и нужно выбрать ближайший или что-то подобное. Но по таблице ответ 5°С. Если бы относительная влажность была 41%, то разность была бы 6°С. Если бы относительная влажность была 47%, то разность была бы 4°С. Так как 44% находится ровно в столбце 5, то ответ 5°С. Если бы это был тест с выбором из предложенных, и 5°С не было, то это проблема в задании. Я укажу ответ, который получается по таблице. Ответ: Разность показаний сухого и влажного термометра составляет 5 °С. Уровень В 6. Тепловая машина за цикл получает от нагревателя 50 Дж и совершает полезную работу, равную 100 Дж. Чему равен КПД тепловой машины? Дано: Количество теплоты, полученное от нагревателя \(Q_н = 50\) Дж Полезная работа \(A_п = 100\) Дж Найти: Коэффициент полезного действия (КПД) \(\eta\) Решение: Коэффициент полезного действия тепловой машины определяется как отношение полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя: \[\eta = \frac{A_п}{Q_н} \cdot 100\%\] Подставим известные значения: \[\eta = \frac{100 \text{ Дж}}{50 \text{ Дж}} \cdot 100\%\] \[\eta = 2 \cdot 100\%\] \[\eta = 200\%\] Анализ результата: КПД тепловой машины не может быть больше 100%, так как это противоречит закону сохранения энергии. Если КПД получился 200%, это означает, что либо в условии задачи допущена ошибка (например, перепутаны значения \(Q_н\) и \(A_п\), или одно из них указано неверно), либо такая машина невозможна. В данном случае, если машина получает 50 Дж и совершает 100 Дж работы, это означает, что она производит больше энергии, чем получает, что невозможно. Ответ: Такая машина невозможна. Правильный ответ: 4) Такая машина невозможна. 7. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите выбранные цифры под соответствующими буквами. ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА А) Количество теплоты, необходимое для кипения жидкости; Б) Удельная теплота сгорания топлива; В) Количество теплоты, выделяемое при охлаждении вещества. ФОРМУЛА 1) \(L \cdot m\); 2) \(q \cdot \Delta t\); 3) \(Q / (m \cdot \Delta t)\); 4) \(c \cdot m \cdot \Delta t\); 5) \(Q / m\). Решение: А) Количество теплоты, необходимое для кипения (парообразования) жидкости, определяется по формуле \(Q = L \cdot m\), где \(L\) – удельная теплота парообразования, \(m\) – масса жидкости. Соответствует формуле 1) \(L \cdot m\). Б) Удельная теплота сгорания топлива \(q\) – это количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы топлива. Она определяется как отношение количества теплоты \(Q\), выделившегося при сгорании, к массе топлива \(m\): \(q = Q / m\). Соответствует формуле 5) \(Q / m\). В) Количество теплоты, выделяемое при охлаждении вещества, определяется по формуле \(Q = c \cdot m \cdot \Delta t\), где \(c\) – удельная теплоемкость вещества, \(m\) – масса вещества, \(\Delta t\) – изменение температуры. Соответствует формуле 4) \(c \cdot m \cdot \Delta t\). Таким образом, соответствие: А - 1 Б - 5 В - 4 Уровень С 8. Какое количество теплоты необходимо для плавления 3 кг льда, имеющего начальную температуру -20 °С, и нагрева образовавшейся воды до температуры кипения? Удельная теплоёмкость воды равна 4200 Дж/(кг °С), удельная теплота плавления льда 330 кДж/кг. Дано: Масса льда \(m = 3\) кг Начальная температура льда \(t_1 = -20\) °С Температура плавления льда \(t_{пл} = 0\) °С Температура кипения воды \(t_{кип} = 100\) °С Удельная теплоемкость воды \(c_{воды} = 4200\) Дж/(кг·°С) Удельная теплота плавления льда \(\lambda = 330\) кДж/кг \( = 330000\) Дж/кг Удельная теплоемкость льда \(c_{льда} = 2100\) Дж/(кг·°С) (это стандартное значение, не указано в задаче, но необходимо для нагрева льда до температуры плавления) Найти: Общее количество теплоты \(Q_{общ}\) Решение: Процесс состоит из трех этапов: 1. Нагревание льда от \(t_1 = -20\) °С до \(t_{пл} = 0\) °С. 2. Плавление льда при \(t_{пл} = 0\) °С. 3. Нагревание образовавшейся воды от \(t_{пл} = 0\) °С до \(t_{кип} = 100\) °С. 1. Количество теплоты для нагревания льда \(Q_1\): \[Q_1 = c_{льда} \cdot m \cdot (t_{пл} - t_1)\] \[Q_1 = 2100 \text{ Дж/(кг·°С)} \cdot 3 \text{ кг} \cdot (0 \text{ °С} - (-20 \text{ °С}))\] \[Q_1 = 2100 \cdot 3 \cdot 20\] \[Q_1 = 6300 \cdot 20\] \[Q_1 = 126000 \text{ Дж}\] 2. Количество теплоты для плавления льда \(Q_2\): \[Q_2 = \lambda \cdot m\] \[Q_2 = 330000 \text{ Дж/кг} \cdot 3 \text{ кг}\] \[Q_2 = 990000 \text{ Дж}\] 3. Количество теплоты для нагревания воды \(Q_3\): \[Q_3 = c_{воды} \cdot m \cdot (t_{кип} - t_{пл})\] \[Q_3 = 4200 \text{ Дж/(кг·°С)} \cdot 3 \text{ кг} \cdot (100 \text{ °С} - 0 \text{ °С})\] \[Q_3 = 4200 \cdot 3 \cdot 100\] \[Q_3 = 12600 \cdot 100\] \[Q_3 = 1260000 \text{ Дж}\] Общее количество теплоты \(Q_{общ}\): \[Q_{общ} = Q_1 + Q_2 + Q_3\] \[Q_{общ} = 126000 \text{ Дж} + 990000 \text{ Дж} + 1260000 \text{ Дж}\] \[Q_{общ} = 2376000 \text{ Дж}\] Переведем в килоджоули: \[Q_{общ} = 2376 \text{ кДж}\] Ответ: Необходимо 2376 кДж теплоты. 9. В сосуд с водой, имеющей температуру 0 °С, впустили 1 кг стоградусного водяного пара. Через некоторое время в сосуде установилась температура 20 °С. Определите массу воды, первоначально находящейся в сосуде. Дано: Начальная температура воды в сосуде \(t_{воды1} = 0\) °С Масса пара \(m_{пара} = 1\) кг Температура пара \(t_{пара} = 100\) °С Конечная температура смеси \(t_{конеч} = 20\) °С Необходимые константы (стандартные значения): Удельная теплоемкость воды \(c_{воды} = 4200\) Дж/(кг·°С) Удельная теплота парообразования воды \(L = 2.3 \cdot 10^6\) Дж/кг \( = 2300000\) Дж/кг Найти: Масса воды, первоначально находящейся в сосуде \(m_{воды}\) Решение: Применим уравнение теплового баланса. Количество теплоты, отданное паром, равно количеству теплоты, полученному водой. Пар отдает тепло в два этапа: 1. Конденсация пара при 100 °С. 2. Охлаждение образовавшейся из пара воды от 100 °С до 20 °С. Вода в сосуде получает тепло, нагреваясь от 0 °С до 20 °С. Теплота, отданная паром \(Q_{отд}\): \[Q_{отд} = Q_{конденсация} + Q_{охлаждение\_воды\_из\_пара}\] \[Q_{конденсация} = L \cdot m_{пара}\] \[Q_{конденсация} = 2300000 \text{ Дж/кг} \cdot 1 \text{ кг} = 2300000 \text{ Дж}\] \[Q_{охлаждение\_воды\_из\_пара} = c_{воды} \cdot m_{пара} \cdot (t_{пара} - t_{конеч})\] \[Q_{охлаждение\_воды\_из\_пара} = 4200 \text{ Дж/(кг·°С)} \cdot 1 \text{ кг} \cdot (100 \text{ °С} - 20 \text{ °С})\] \[Q_{охлаждение\_воды\_из\_пара} = 4200 \cdot 1 \cdot 80\] \[Q_{охлаждение\_воды\_из\_пара} = 336000 \text{ Дж}\] \[Q_{отд} = 2300000 \text{ Дж} + 336000 \text{ Дж} = 2636000 \text{ Дж}\] Теплота, полученная водой \(Q_{получено}\): \[Q_{получено} = c_{воды} \cdot m_{воды} \cdot (t_{конеч} - t_{воды1})\] \[Q_{получено} = 4200 \text{ Дж/(кг·°С)} \cdot m_{воды} \cdot (20 \text{ °С} - 0 \text{ °С})\] \[Q_{получено} = 4200 \cdot m_{воды} \cdot 20\] \[Q_{получено} = 84000 \cdot m_{воды}\] По уравнению теплового баланса: \[Q_{отд} = Q_{получено}\] \[2636000 \text{ Дж} = 84000 \cdot m_{воды}\] Выразим \(m_{воды}\): \[m_{воды} = \frac{2636000}{84000}\] \[m_{воды} = \frac{2636}{84}\] \[m_{воды} \approx 31.38 \text{ кг}\] Ответ: Масса воды, первоначально находящейся в сосуде, составляет приблизительно 31.38 кг.