BL2.ru

Количество теплоты и тепловой баланс онлайн

Выберите вещество, массу, начальное и конечное состояние — калькулятор разобьёт процесс на участки (нагрев, плавление, нагрев, кипение…), посчитает Q₁ + Q₂ + Q₃ и построит график t(Q). Во вкладке «Тепловой баланс» — температура смеси нескольких тел, в том числе со льдом. Справочные данные — из школьных таблиц.

Начальное состояние: температура и фаза
Конечное состояние: температура и фаза
Рассчитать

Формулы количества теплоты

Количество теплоты Q — энергия, которую тело получает или отдаёт при теплопередаче. Единица — джоуль (Дж); 1 кДж = 1000 Дж, 1 кал ≈ 4,19 Дж.

  • Нагревание и охлаждение: Q = c·m·(t₂ − t₁), где c — удельная теплоёмкость, Дж/(кг·°C). У воды c = 4200, у льда — 2100, у пара — около 2000.
  • Плавление и кристаллизация: Q = λ·m при температуре плавления; λ — удельная теплота плавления (лёд — 3,4·10⁵ Дж/кг).
  • Кипение и конденсация: Q = L·m при температуре кипения; L (или r) — удельная теплота парообразования (вода — 2,3·10⁶ Дж/кг).
  • Сгорание топлива: Q = q·m; q — удельная теплота сгорания. С учётом КПД нагревателя полезная теплота η·q·m.

Процесс по участкам: лёд → вода → пар

Если по ходу нагревания вещество меняет агрегатное состояние, процесс делят на участки и считают каждый своей формулой. Например, чтобы 2 кг льда при −10 °C превратить в пар при 100 °C:

  1. нагреть лёд до 0 °C: Q₁ = 2100·2·10 = 42 кДж;
  2. расплавить: Q₂ = 3,4·10⁵·2 = 680 кДж;
  3. нагреть воду до 100 °C: Q₃ = 4200·2·100 = 840 кДж;
  4. испарить: Q₄ = 2,3·10⁶·2 = 4600 кДж.

Всего Q = 6162 кДж ≈ 6,2 МДж. На графике t(Q) участки нагревания наклонные, а плавление и кипение — горизонтальные «полочки»: пока идёт переход, температура не меняется.

Уравнение теплового баланса

В теплоизолированной системе энергия сохраняется: теплота, отданная горячими телами, равна теплоте, полученной холодными. Удобнее записывать с учётом знака: Q₁ + Q₂ + … + Qₙ = 0, где у остывающих тел Q < 0. Например, 2 кг воды при 20 °C и 3 кг при 70 °C: 4200·2·(θ − 20) + 4200·3·(θ − 70) = 0 → θ = 50 °C.

Если в смеси есть лёд, сначала проверяют, хватит ли тепла, чтобы он растаял: сравнивают теплоту, которую отдаст вода при остывании до 0 °C, с теплотой плавления льда. Если не хватает — в сосуде остаётся смесь воды и льда при 0 °C, и калькулятор покажет, какая доля льда растаяла.

Откуда справочные данные

Значения c, λ, L и q взяты из таблиц школьного учебника и задачника (их используют на ОГЭ и ЕГЭ). В вузовских справочниках они немного отличаются (например, L воды 2,26·10⁶ Дж/кг) — если в задаче даны свои значения, считайте во вкладке «Формула».

Частые вопросы

Как найти количество теплоты, чтобы лёд превратить в пар?
Разбить процесс на 4 участка: нагрев льда до 0 °C (Q = c_льда·m·Δt), плавление (Q = λm), нагрев воды до 100 °C (Q = c_воды·m·Δt) и парообразование (Q = Lm), затем сложить. Калькулятор делает это сам и строит график.
Почему при плавлении температура не меняется?
Вся подводимая энергия идёт на разрушение кристаллической решётки, а не на увеличение кинетической энергии молекул. Поэтому на графике t(Q) плавление и кипение — горизонтальные участки.
Как решать задачу на тепловой баланс?
Записать Q для каждого тела от его начальной температуры до общей конечной θ (с плавлением или кипением, если они есть), приравнять сумму к нулю и решить относительно θ. Во вкладке «Тепловой баланс» можно задать до 6 тел.
Чему равна удельная теплоёмкость воды?
4200 Дж/(кг·°C) в школьных задачах (точнее — 4186 Дж/(кг·К) при 20 °C). Это значит, что для нагрева 1 кг воды на 1 °C нужно 4,2 кДж.
Сколько нужно сжечь топлива, чтобы нагреть воду?
Найти Q на нагрев и разделить на q·η: m = Q / (q·η), где q — удельная теплота сгорания топлива, η — КПД нагревателя (долей единицы). Выберите топливо и КПД в первой вкладке.