Удельная теплоемкость таяния снега

Зимнее чаепитие. Сколько нужно снега и дров

Традиция русского чаепития имеет многовековую историю. Впервые чай появился на Руси в первой половине 17 века, он был привезён в подарок государю Михаилу Федоровичу от монгольского Алтан-хана Кучкуна. Чай стал очень популярным напитком, начиная со второй половины 18 века, когда появились первые русские самовары, известные теперь во всём мире. Особенно приятно пить чай в зимнее время года, когда стоит морозная погода, а чай согревает, придаёт бодрости и сил. Если вы оказались в загородном доме и вам хочется выпить чаю, а воды нет, то можно набрать чистого свежевыпавшего снега, растопить дровами русский самовар и приготовить восхитительный напиток – русский чай. Давайте попробуем разобраться, сколько нужно снега и дров, чтобы всех напоить горячим чаем.

Сначала рассчитаем сколько нужно снега, чтобы самовар объёмом 3 литра был полным. Учитывая, что 1 л = 1 дм 3 , находим массу воды объемом 3 литра:

m = 3·10 -3 м 3 ·1000 кг/м 3 =3 кг

Так как плотность свежевыпавшего снега примерно равна 150 кг/м 3 , то нам потребуется примерно 20 литров снега, то есть достаточно набрать два десятилитровых ведра снега.

Теперь рассчитаем количество дров, считая, что температура снега – 20 0 С, а воду надо довести до кипения. Сначала снег надо нагреть до температуры плавления (0 0 С), затем растопить снег и потом нагреть полученную воду до температуры кипения (100 0 С).

Количество теплоты, которое необходимо, чтобы нагреть снег до 0 0 С рассчитывается по формуле:

где c_сн = 2100 Дж/(кг· 0 C)– удельная теплоёмкость снега, – масса снега, T₁ – начальная температура снега, T₂ – конечная температура снега.

Подставляя значения, находим:

Q₁ = 2100Дж/(кг· 0 C)*3 кг * 20 0 C) = 126 кДж

Чтобы растопить снег необходимо количество теплоты:

где λ = 334 кДж/кг – удельная теплота плавления снега, тогда:

Аналогично рассчитываем количество теплоты, необходимое для нагревания воды:

где c_в = 4200 Дж/(кг· 0 С)– удельная теплоёмкость воды, m – масса воды, T₂ – начальная температура воды, T₃, – конечная температура воды.

Подставляя значения, находим:

Q₃ = 4200 Дж/(кг· 0 С) * 3 кг * 100 0 С = 1260 кДж

Кроме этого, необходимо ещё нагреть сам самовар, изготовленный из латуни и имеющий комнатную температуру (20 0 С), до температуры кипения воды:

где c_л = 380 Дж / (кг· 0 С)– удельная теплоёмкость латуни, m_с = 4 кг – масса самовара, T₄ – начальная температура самовара, T₃ – конечная температура воды.

Подставляя значения, находим:

Q₄ = 380 Дж / (кг· 0 С)·4кг·80 0 С =121,6 кДж

Складывая полученные значения, находим необходимое количество теплоты: Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ = 2509,6 кДж

Так как русский самовар имеет КПД примерно 15%, то дрова при сгорании должны выделить большее количество теплоты:

2509,6 кДж/0,15=16,7 МДж.

Чтобы рассчитать массу необходимых дров разделим полученную величину на удельную теплоту сгорания березовых (сосновых) дров (10,2 МДж/кг):

m_дров = 16,7 МДж / 10,2МДж/кг = 1,637 кг

Таким образом, достаточно немногим более полутора килограмма дров.

По предложенному методу мы предлагаем вам рассчитать:

1. массу древесного угля (удельная теплота сгорания 34,4 МДж/кг), необходимого для получения 5 литров кипячёной воды из снега, имеющего температуру – 20 0 С в латунном самоваре массы 5 кг;
2. объём снега при температуре – 30 0 С и массу сосновых дров, необходимых для получения 200 л воды при температуре 40 0 при помощи русской печи, считая её КПД равным 40%.

Источник

При какой температуре тает лед и снег: какое количество теплоты необходимо затратить

Вода в природе может находиться в трех разных агрегатных состояниях:

Лед и снег находятся в твердом состоянии, после плавления они превращаются в жидкость, а при нагревании этой же жидкости, она испаряется и превращается в водяной пар. Многим интересно, какие условия должны быть для плавления, замерзания и испарения воды? При какой температуре тает лед и снег или получается вода и пар? О всем этом вы узнаете в этой познавательной статье.

Вода на Земле

Нельзя сказать, что водяной пар и лед редко встречаются в повседневной жизни. Однако наиболее распространенным является именно жидкое состояние – обычная вода. Специалисты выяснили, что на нашей планете находится более 1 млрд кубических километров воды. Однако не более 3 млн км3 воды принадлежат пресным водоемам. Достаточно большое количество пресной воды «покоится» в ледниках (около 30 млн кубических километров). Однако растопить лед таких огромных глыб далеко не просто. Остальная же вода соленая, принадлежащая морям Мирового океана.

Вода окружает современного человека повсюду, во время большинства ежедневных процедур. Многие считают, что запасы воды неиссякаемы, и человечество сможет всегда использовать ресурсы гидросферы Земли. Однако это далеко не так. Водные ресурсы нашей планеты постепенно истощаются, и уже через несколько сотен лет пресной воды на Земле может не остаться вовсе. Поэтому абсолютно каждому человеку нужно бережно относиться к пресной воде и экономить ее. Ведь даже в наше время существуют государства, в которых запасы воды катастрофически малы.

Свойства воды

Прежде чем говорить о температуре таяния льда, стоит рассмотреть основные свойства этой уникальной жидкости.

Итак, воде присущи следующие свойства:

• Отсутствие цвета.
• Отсутствие запаха.
• Отсутствие вкуса (однако качественная питьевая вода имеет приятный вкус).
• Прозрачность.
• Текучесть.
• Способность растворять различные вещества (например, соли, щелочи и т. д.).
• Вода не имеет собственной постоянной формы и способна принимать форму сосуда, в который попадает.
• Способность очищаться посредством фильтрования.
• При нагревании вода расширяется, а при охлаждении сжимается.
• Вода может испаряться, превращаясь в пар, и замерзать, образуя кристаллический лед.

В этом списке представлены основные свойства воды. Теперь разберемся, каковы особенности твердого агрегатного состояния этого вещества, и при какой температуре тает лед.

Снег и лед

Лед – это твердое кристаллическое вещество, которое имеет достаточно неустойчивую структуру. Он, как и вода, прозрачен, не имеет цвета и запаха. Также лед обладает такими свойствами, как хрупкость и скользкость; он холодный на ощупь.

Снег также представляет собой замерзшую воду, однако обладает рыхлой структурой и имеет белый цвет. Именно снег каждый год выпадает в большинстве стран мира.

Как снег, так и лед – крайне неустойчивые вещества. Чтобы растопить лед, не нужно прикладывать особых усилий. Когда же он начинает таять?

Плавление льда

В природе твердый лед существует только при температуре 0 °C и ниже. Если же температура окружающей среды поднимается и становится больше 0 °C, лед начинает таять.

При температуре таяния льда, при 0 °C, происходит и другой процесс – замерзание, или кристаллизация, жидкой воды.

Данный процесс можно наблюдать всем жителям умеренно континентального климата. Зимой, когда температура на улице опускается ниже 0 °C, достаточно часто выпадает снег, который не тает. А жидкая вода, находившаяся на улицах, замерзает, превращаясь в твердый снег или лед. Весной же можно увидеть обратный процесс. Температура окружающей среды поднимается, поэтому лед и снег тают, образуя многочисленные лужи и грязь, которую можно считать единственным минусом весеннего потепления.

Таким образом, можно сделать вывод, что, при какой температуре начинает таять лед, при такой же температуре начинается и процесс замерзания воды.

В такой науке, как физика, часто используется понятие количества теплоты. Данная величина показывает количество энергии, необходимой для нагревания, плавления, кристаллизации, кипения, испарения или конденсации различных веществ. Причем каждый из перечисленных процессов имеет свои особенности. Поговорим о том, какое количество теплоты для нагревания льда требуется в обычных условиях.

Чтобы нагреть лед, нужно сначала его растопить. Для этого необходимо количество теплоты, нужное для плавления твердого вещества. Теплота равняется произведению массы льда на удельную теплоту его плавления (330-345 тысяч Джоулей/кг) и выражается в Джоулях. Допустим, что нам дано 2 кг твердого льда. Таким образом, чтобы его растопить, нам понадобится: 2 кг * 340 кДж/кг = 680 кДж.

После этого нам необходимо нагреть образовавшуюся воду. Количество теплоты для данного процесса рассчитать будет немного сложнее. Для этого нужно знать начальную и конечную температуру нагреваемой воды.

Итак, допустим, что нам требуется нагреть получившуюся в результате плавления льда воду на 50 °C. То есть разница начальной и конечной температуры = 50 °C (начальная температура воды – 0 °C). Тогда следует умножить разность температур на массу воды и на ее удельную теплоемкость, которая равняется 4 200 Дж*кг/°C. То есть количество теплоты, необходимое для нагревания воды, = 2 кг * 50 °C * 4 200 Дж*кг/°C = 420 кДж.

Тогда получаем, что для плавления льда и последующего нагревания получившейся воды нам потребуется: 680 000 Дж + 420 000 Дж = 1 100 000 Джоулей, или 1,1 Мегаджоуль.

Зная, при какой температуре тает лед, можно решить множество непростых задач по физике или химии.

Плавление снега

Рассмотрим, какое количество теплоты нужно затратить, что бы из 4 кг. снега получить 4 кг. горячей воды (100°С) при температуре окружающей среды — 10°С.

Дано:

• m = 4 кг — масса снега
• t1 = -10 C — температура снега
• t2 = 0 C — температура плавления снега
• t3 = 100 C — температура кипящей воды
• С1 = 2100 Дж/кг*С — удельная теплоемкость снега
• Л = 330000 Дж/кг — удельная теплота плавления cнега
• С2 = 4200 Дж/кг*С — удельная теплоемкость воды
• Q-?

Решение:

• Q1 = C1*m*(t2-t1)
• Q2 = Л*m
• Q3 = C2*m*(t3-t2)
• Q = Q1 + Q2 + Q3
• Q1 = 2100*4*(0+10) = 84000 Дж
• Q2 = 330000*4 = 1320000 Дж
• Q3 = 4200*4(100-0) = 1680000 Дж
• Q = 1680000 + 84000 + 1320000 = 3084000 Дж = 3084 кДж

Ответ:

Превращение воды в пар

Задача: Найти сколько энергии необходимо затратить, что бы превратить 1 кг. воды в пар, если изначально температура воды составляет 25°С.

Решение:

• На нагрев 1 кг воды на 1°С необходимо затратить 4200 Дж;
• Для нагрева с 25°С до 100 °С необходимо нагреть воду на 75°С;
• Для этого нужно затратить 4200*75=315000 Дж;

Ответ:

• Необходимо затратить 315 кДж.

Выводы

Итак, в данной статье мы узнали некоторые факты о воде и о двух ее агрегатных состояниях – твердом и жидком. Водяной пар, однако, представляет собой не менее интересный объект для изучения. Например, в нашей атмосфере содержится приблизительно 25*1016 кубических метров водяного пара. К тому же, в отличие от замерзания, испарение воды происходит при любой температуре и ускоряется при ее нагревании или при наличии ветра.

Мы узнали, при какой температуре тает лед и замерзает жидкая вода. Такие факты всегда пригодятся нам в повседневной жизни, так как вода окружает нас повсюду. Важно всегда помнить о том, что вода, в особенности пресная, является иссякаемым ресурсом Земли и нуждается в бережном к ней отношении.

Так же мы недавно писали о том, с чего начинать подготовку к ЕГЭ, советуем всем школьникам, даже тем, кто учится не в выпускных классах прочитать эту статью.

Источник

Плотность льда и снега, теплопроводность, теплоемкость льда

Плотность, теплопроводность и теплоемкость льда в зависимости от температуры

В таблице приведены значения плотности, теплопроводности, удельной теплоемкости льда в зависимости от температуры в интервале от 0 до -100°С.

По данным таблицы видно, что с понижением температуры удельная теплоемкость льда уменьшается, а теплопроводность и плотность льда, напротив, растут. Например, при температуре 0°С плотность льда имеет значение 916,2 кг/м 3 , а при температуре минус 100°С его плотность становится равной 925,7 кг/м 3 .

Значение удельной теплоемкости льда при 0°С составляет 2050 Дж/(кг·град). При снижении температуры льда с -5 до -100°С его удельная теплоемкость снижается в 1,45 раза. Теплоемкость льда в два раза меньше значения этой величины у воды.

Теплопроводность льда при понижении его температуры с 0 до минус 100°С увеличивается с 2,22 до 3,48 Вт/(м·град). Лед более теплопроводен, чем вода — он может проводить в 4 раза больше тепла при одинаковых граничных условиях.

Следует отметить, что плотность льда меньше плотности воды, однако с понижением температуры плотность льда растет и при приближении к абсолютному нулю температуры плотность льда становится близка к величине плотности воды.

Таблица плотности, теплопроводности и теплоемкости льда

Температура, °С	Плотность, кг/м 3	Теплопроводность, Вт/(м·град)	Теплоемкость, Дж/(кг·град)
0.01 (Вода)	999,8	0,56	4212
0	916,2	2,22	2050
-5	917,5	2,25	2027
-10	918,9	2,30	2000
-15	919,4	2,34	1972
-20	919,4	2,39	1943
-25	919,6	2,45	1913
-30	920,0	2,50	1882
-35	920,4	2,57	1851
-40	920,8	2,63	1818
-50	921,6	2,76	1751
-60	922,4	2,90	1681
-70	923,3	3,05	1609
-80	924,1	3,19	1536
-90	924,9	3,34	1463
-100	925,7	3,48	1389

Теплофизические свойства льда и снега

В таблице представлены следующие свойства льда и снега:

• плотность льда, кг/м 3 ;
• теплопроводность льда и снега, ккал/(м·час·град) и Вт/(м·град);
• удельная массовая теплоемкость льда, ккал/(кг·град) и Дж/кг·град);
• коэффициент температуропроводности, м 2 /час и м 2 /сек.

Свойства льда и снега представлены в зависимости от температуры в интервале: для льда от 0 до -120°С; для снега от 0 до -50°С в зависимости от уплотненности (плотности). Температуропроводность льда и снега в таблице приведена с множителем 10 6 . Например, температуропроводность льда при температуре 0°С равна 1,08·10 -6 м 2 /с.

Давление насыщенного пара льда

В таблице приведены значения давления насыщенного пара льда при сублимации (переход льда в пар, миную жидкую фазу) в зависимости от температуры в интервале от 0,01 до -80°С. Из таблицы видно, что с понижением температуры льда давление его насыщенного пара снижается.

Источник