氷から蒸気への問題 – 熱変化の例の問題

氷から蒸気への問題は、古典的な熱エネルギーの宿題の問題です。これは、この問題を完了するために必要な手順を概説し、実際の問題の例をフォローアップします。

物質の温度を上げるために必要な熱量は、物質の質量または量と温度変化の大きさに比例します。

必要な熱に最も一般的に関連する方程式は

Q =mcΔT

どこ
Q =熱エネルギー
m =質量
c =比熱
ΔT =温度変化 =(T_final – T_{イニシャル} )

この公式を覚える良い方法は、Q =“em cat” です。

最終温度が初期温度よりも低い場合、熱は負になります。これは、材料が冷えると、材料によってエネルギーが失われることを意味します。

この方程式は、温度が変化しても材料の相が変化しない場合にのみ適用されます。固体から液体への変化、および液体から気体への変化には追加の熱が必要です。これらの 2 つの熱量は、融解熱 (固体 ↔ 液体) と気化熱 (液体 ↔ 気体) として知られています。これらのヒートの式は

Q =m · ΔH _f
と
Q =m · ΔH _v

どこ
Q =熱エネルギー
m =質量
ΔH_f =融解熱
ΔH_v =気化熱

総熱量は、個々の熱変化ステップすべての合計です。

この氷から蒸気への問題でこれを実践してみましょう。

氷から蒸気への問題

質問: -25 °C の氷 200 グラムを 150 °C の蒸気に変換するには、どのくらいの熱が必要ですか?

有用な情報：
氷の比熱 =2.06 J/g°C
水の比熱 =4.19 J/g°C
蒸気の比熱 =2.03 J/g°C
水の融解熱 ΔH_f =334 J/g
水の融点 =0 °C
水の気化熱 ΔH_v =2257 J/g
水の沸点 =100 °C

解決策: 冷たい氷を加熱して熱い蒸気にするには、5 つの異なる手順が必要です:

ステップ 1:-25 °C の氷を 0 °C の氷に加熱します。

このステップで使用する方程式は「em cat」です

Q₁ =mcΔT

どこ
m =200 グラム
c =2.06 J/g°C
T_{イニシャル} =-25 °C
T_{ファイナル} =0℃

ΔT =(T_最終 – T_{イニシャル} )
ΔT =(0 °C – (-25 °C))
ΔT =25 °C

Q₁ =mcΔT
Q₁ =(200 g) · (2.06 J/g°C) · (25 °C)
Q₁ =10300 円

ステップ 2:0 °C の固体の氷を 0 °C の液体の水に溶かします。

使用する方程式は、融解熱方程式です:

Q₂ =m · ΔH_f

どこ
m =200 グラム
ΔH_f =334 J/g

Q₂ =m · ΔH_f
Q₂ =200・334J/g
Q₂ =66800円

ステップ 3:0 °C の水を 100 °C の水に加熱します。

使用する方程式は再び「em cat」です。

Q₃ =mcΔT

どこ
m =200 グラム
c =4.19 J/g°C
T_{イニシャル} =0℃
T_{ファイナル} =100℃

ΔT =(T_最終 – T_{イニシャル} )
ΔT =(100 °C – 0 °C)
ΔT =100 °C

Q₃ =mcΔT
Q₃ =(200 g) · (4.19 J/g°C) · (100 °C)
Q₃ =83800円

ステップ 4:100 °C の液体水を沸騰させて 100 °C の気体蒸気にする

今回使用する方程式は、気化熱の熱方程式です。

Q₄ =m · ΔH_v

どこ
m =200 グラム
ΔH_v =2257 J/g

Q₄ =m · ΔH_f
Q₄ =200・2257J/g
Q₄ =451400円

ステップ 5:100 °C の蒸気を 150 °C の蒸気に加熱

ここでも、「em cat」式を使用します。

Q₅ =mcΔT

どこ
m =200 グラム
c =2.03 J/g°C
T_{イニシャル} =100℃
T_{ファイナル} =150℃

ΔT =(T_最終 – T_{イニシャル} )
ΔT =(150 °C – 100 °C)
ΔT =50 °C

Q₅ =mcΔT
Q₅ =(200 g) · (2.03 J/g°C) · (50 °C)
Q₅ =20300 円

総熱量を求める

このプロセスの総熱量を求めるには、個々の部分をすべて足し合わせてください。

Q_合計 =Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅
Q_合計 =10300 J + 66800 J + 83800 J + 4514400 J + 20300 J
Q_合計 =632600 J =632.6 kJ

答え: 200 グラムの -25 °C の氷を 150 °C の蒸気に変換するのに必要な熱は、632,600 ジュールまたは 632.6 キロジュールです。

このタイプの問題で覚えておくべき主なポイントは、位相変化が発生しない部分に「em cat」を使用することです。固体から液体に変化するときは、融解熱方程式を使用します (液体が融合して固体になります)。液体から気体に変化する (液体が気化する) ときに気化熱を使用します。

心に留めておくべきもう 1 つのポイントは、冷却時の熱エネルギーが負であることです。物質を加熱するということは、物質にエネルギーを加えるということです。物質を冷やすということは、物質がエネルギーを失うことを意味します。サインに注意してください。

熱とエネルギーの問題例

このような問題の例がさらに必要な場合は、他の熱とエネルギーの例の問題を確認してください。

比熱の例題
融解熱の例題
気化熱の例題

その他の物理の例題
一般物理学の実例問題