У посудину, що містить 5 кг води при 20 °С, кидають шматок сталі масою 10 кг, нагрітий до 500 °С. Вода нагрівається до 100 °С, і частина її перетворюється в пару. Знайдіть масу пари, що утворилася. Питома теплоємність води 4200 Дж/кгꞏК, питома теплота пароутворення 2,3ꞏ106 Дж/кг, питома теплоємність сталі 500 Дж/кгꞏК.

У посудину, що містить 5 кг води при 20 °С, кидають шматок сталі масою 10 кг, нагрітий до 500 °С. Вода нагрівається до 100 °С, і частина її перетворюється в пару. Знайдіть масу пари, що утворилася. Питома теплоємність води 4200 Дж/кгꞏК, питома теплота пароутворення 2,3ꞏ106 Дж/кг, питома теплоємність сталі 500 Дж/кгꞏК.

Відповідь: 0,139 кг

Для розв’язання цієї задачі використовуємо принцип збереження енергії.

Спочатку розрахуємо кількість тепла, яку поглине вода, щоб нагрітися до 100 °C. Використовуємо формулу:

Q1​=m1​⋅c1​⋅ΔT1​

де:

  • Q1​ – кількість тепла, яку поглине вода,
  • m1​ – маса води,
  • c1​ – питома теплоємність води,
  • ΔT1​ – зміна температури води.

Підставляємо відомі значення:

Q1​=5кг⋅4200Дж/(кг\cdotpK)⋅(100−20)K

Q1​=1.68×106Дж

Тепер розрахуємо кількість тепла, яку поглине вода при перетворенні в пару. Використовуємо формулу:

Q2​=m2​⋅L

де:

  • Q2​​ – кількість тепла, яку поглине вода при перетворенні в пару,
  • m2​ – маса пари,
  • L – питома теплота пароутворення.

Підставляємо відомі значення:

Q2​=m2​⋅2.3×106Дж/кг

Тепер розрахуємо кількість тепла, яку поглине сталь, щоб охолонути до 100 °C. Використовуємо формулу:

Q3​=m3​⋅c3​⋅ΔT3​

де:

  • Q3​ – кількість тепла, яку поглине сталь,
  • m3​ – маса сталі,
  • c3​ – питома теплоємність сталі,
  • ΔT3​ – зміна температури сталі.

Підставляємо відомі значення:

Q3​=10кг⋅500Дж/(кг\cdotpK)⋅(100−500)K

Q3​=−2.0×106Дж

Тепер застосуємо принцип збереження енергії:

Q1​+Q2​+Q3​=0

1.68×106Дж+Q2​−2.0×106Дж=0

Q2​=0.32×106Дж

Тепер розрахуємо масу пари m2​:

Q2​=m2​⋅2.3×106Дж/кг

0.32×106Дж=m2​⋅2.3×106Дж/кг

m2​≈0.139кг

Отже, маса пари, що утворилася, становить приблизно 0.139 кг.