Решение
Задача 1. Какое количество теплоты необходимо для плавления медной заготовки массой 100 г, взятой при температуре 1013 °С?
Дано:
- Масса меди \(m = 100 \text{ г} = 0.1 \text{ кг}\)
- Начальная температура меди \(t_1 = 1013 \text{ °С}\)
Найти:
- Количество теплоты для плавления \(Q\)
Решение:
Для решения этой задачи нам понадобятся справочные данные для меди:
- Температура плавления меди \(t_{пл} = 1085 \text{ °С}\)
- Удельная теплоемкость меди \(c_{меди} = 385 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°С})\)
- Удельная теплота плавления меди \(\lambda_{меди} = 2.1 \cdot 10^5 \text{ Дж}/\text{кг}\)
Процесс состоит из двух этапов:
- Нагревание меди от начальной температуры \(t_1\) до температуры плавления \(t_{пл}\).
- Плавление меди при температуре \(t_{пл}\).
1. Количество теплоты, необходимое для нагревания меди:
\[Q_1 = c_{меди} \cdot m \cdot (t_{пл} - t_1)\] \[Q_1 = 385 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°С}) \cdot 0.1 \text{ кг} \cdot (1085 \text{ °С} - 1013 \text{ °С})\] \[Q_1 = 385 \cdot 0.1 \cdot 72\] \[Q_1 = 38.5 \cdot 72\] \[Q_1 = 2772 \text{ Дж}\]2. Количество теплоты, необходимое для плавления меди:
\[Q_2 = \lambda_{меди} \cdot m\] \[Q_2 = 2.1 \cdot 10^5 \text{ Дж}/\text{кг} \cdot 0.1 \text{ кг}\] \[Q_2 = 21000 \text{ Дж}\]Общее количество теплоты:
\[Q = Q_1 + Q_2\] \[Q = 2772 \text{ Дж} + 21000 \text{ Дж}\] \[Q = 23772 \text{ Дж}\]Ответ: Для плавления медной заготовки необходимо 23772 Дж теплоты.
Задача 2. При кипении воды было затрачено 460 кДж энергии. Какова масса испарившейся воды?
Дано:
- Количество теплоты \(Q = 460 \text{ кДж} = 460000 \text{ Дж}\)
Найти:
- Масса испарившейся воды \(m\)
Решение:
Для решения этой задачи нам понадобится удельная теплота парообразования воды:
- Удельная теплота парообразования воды \(L = 2.3 \cdot 10^6 \text{ Дж}/\text{кг}\)
Формула для количества теплоты, необходимой для парообразования:
\[Q = L \cdot m\]Отсюда выразим массу:
\[m = \frac{Q}{L}\] \[m = \frac{460000 \text{ Дж}}{2.3 \cdot 10^6 \text{ Дж}/\text{кг}}\] \[m = \frac{460000}{2300000}\] \[m = \frac{46}{230}\] \[m = 0.2 \text{ кг}\]Ответ: Масса испарившейся воды составляет 0.2 кг.
Задача 3. Определите, какое количество теплоты необходимо для превращения 200 г льда при температуре 0 °С в воду с температурой 20 °С?
Дано:
- Масса льда \(m = 200 \text{ г} = 0.2 \text{ кг}\)
- Начальная температура льда \(t_{льда} = 0 \text{ °С}\)
- Конечная температура воды \(t_{воды} = 20 \text{ °С}\)
Найти:
- Общее количество теплоты \(Q\)
Решение:
Процесс состоит из двух этапов:
- Плавление льда при температуре 0 °С.
- Нагревание образовавшейся воды от 0 °С до 20 °С.
Нам понадобятся справочные данные:
- Удельная теплота плавления льда \(\lambda_{льда} = 3.3 \cdot 10^5 \text{ Дж}/\text{кг}\)
- Удельная теплоемкость воды \(c_{воды} = 4200 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°С})\)
1. Количество теплоты, необходимое для плавления льда:
\[Q_1 = \lambda_{льда} \cdot m\] \[Q_1 = 3.3 \cdot 10^5 \text{ Дж}/\text{кг} \cdot 0.2 \text{ кг}\] \[Q_1 = 66000 \text{ Дж}\]2. Количество теплоты, необходимое для нагревания воды:
\[Q_2 = c_{воды} \cdot m \cdot (t_{воды} - t_{льда})\] \[Q_2 = 4200 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°С}) \cdot 0.2 \text{ кг} \cdot (20 \text{ °С} - 0 \text{ °С})\] \[Q_2 = 4200 \cdot 0.2 \cdot 20\] \[Q_2 = 840 \cdot 20\] \[Q_2 = 16800 \text{ Дж}\]Общее количество теплоты:
\[Q = Q_1 + Q_2\] \[Q = 66000 \text{ Дж} + 16800 \text{ Дж}\] \[Q = 82800 \text{ Дж}\]Ответ: Для превращения льда в воду с температурой 20 °С необходимо 82800 Дж теплоты.
Задача 4. Опишите по соответствующему графику процессы, происходящие с веществом.
К сожалению, график на изображении очень плохо виден. Однако, судя по типичному виду таких графиков для агрегатных состояний, можно предположить следующее:
График, скорее всего, показывает зависимость температуры вещества от подводимого к нему количества теплоты (или времени нагревания при постоянной мощности нагревателя).
Типичный график для вещества, которое нагревается, плавится, затем нагревается в жидком состоянии, кипит и нагревается в газообразном состоянии, выглядит так:
- Наклонный участок (начало графика): Вещество находится в твердом состоянии и нагревается. Температура растет с увеличением подводимой теплоты.
- Горизонтальный участок (первая "полка"): Вещество плавится. Температура остается постоянной, так как вся подводимая теплота идет на изменение агрегатного состояния (разрушение кристаллической решетки).
- Наклонный участок (после первой "полки"): Вещество находится в жидком состоянии и нагревается. Температура снова растет.
- Горизонтальный участок (вторая "полка"): Вещество кипит (или испаряется). Температура остается постоянной, так как вся подводимая теплота идет на парообразование.
- Наклонный участок (конец графика): Вещество находится в газообразном состоянии и нагревается. Температура газа растет.
Судя по нечеткому изображению, график начинается с наклонного участка, затем идет горизонтальный участок, затем снова наклонный, и, возможно, еще один горизонтальный участок. Это соответствует описанным выше процессам нагревания и фазовых переходов.
Задача 5. Используя рисунок 17, назовите основные части паровой турбины.
Рисунок 17 также очень нечеткий, но он изображает ротор турбины с лопатками. Основные части паровой турбины, которые можно выделить на таком схематичном рисунке, это:
- Ротор (вал): Вращающаяся часть турбины, на которой закреплены лопатки.
- Рабочие лопатки: Лопатки, закрепленные на роторе, которые приводятся в движение потоком пара.
- Сопловые (направляющие) лопатки: Лопатки, закрепленные на корпусе турбины (статоре), которые направляют поток пара на рабочие лопатки. (На данном рисунке, скорее всего, показаны только рабочие лопатки, но сопловые являются неотъемлемой частью турбины).
- Корпус (статор): Неподвижная часть турбины, внутри которой вращается ротор.
На рисунке, вероятно, стрелками показаны отдельные лопатки и центральная часть (вал).
Вопрос 1. Какой вид механической энергии водяного пара используется в паровых турбинах?
В паровых турбинах используется кинетическая энергия водяного пара. Пар, расширяясь и ускоряясь в соплах, приобретает высокую скорость и направляется на лопатки турбины, передавая им свою кинетическую энергию и заставляя ротор вращаться.
Вопрос 2. Где применяются турбины?
Турбины имеют очень широкое применение. Вот основные области:
- Энергетика: Паровые турбины являются основным элементом тепловых электростанций (ТЭС), атомных электростанций (АЭС) и геотермальных электростанций, где они преобразуют энергию пара в механическую энергию вращения генератора для выработки электроэнергии. Газовые турбины используются на газотурбинных электростанциях. Гидротурбины используются на гидроэлектростанциях (ГЭС).
- Транспорт:
- Авиация: Газотурбинные двигатели (турбореактивные, турбовинтовые, турбовентиляторные) являются основой современной авиации.
- Судостроение: Паровые и газовые турбины используются в качестве главных двигателей на крупных судах, таких как авианосцы, круизные лайнеры, танкеры.
- Железнодорожный транспорт: В некоторых случаях газотурбинные двигатели применяются на локомотивах.
- Промышленность: Турбины используются в различных промышленных процессах для привода компрессоров, насосов и другого оборудования, например, в нефтегазовой и химической промышленности.
- Компрессоры и насосы: Турбины могут использоваться для привода компрессоров в системах наддува двигателей внутреннего сгорания (турбокомпрессоры).
Таким образом, турбины являются ключевыми элементами в производстве электроэнергии, в авиации и судостроении, а также во многих промышленных процессах.