Topnienie i krzepnięcie – zadania

Zad. 1 Z jakiego powodu w trakcie krzepnięcia zaprawy cementowej, temperatura wyrobu z niej wykonanego wzrasta?

Odp. W trakcie krzepnięcia spada energia potencjalna oddziaływań cząsteczek, a wzrasta ich energia kinetyczna czego skutkiem jest wzrost temperatury

Zad. 2 Z jakiego powodu, pomimo ogrzewania (czyli dostarczania energii), podczas topnienia krystalicznego ciała stałego, jego temperatura pozostaje niezmienna? W odpowiedzi uwzględnij przemiany energii oraz cząsteczkową budowę substancji

Odp. Dostarczona energia przyczyniła się do wzrostu energii potencjalnej oddziaływania cząsteczek. Temperatura ciała nie wzrasta, gdyż energia cieplna jest spożytkowana na zmianę stanu skupienia. Dopiero gdy ciało stałe stanie się cieczą, dalsze ogrzewanie spowoduje wzrost jej temperatury.

Zad. 3 Czy lód pochłania w trakcie topnienia? Czy jego temperatura zienia się w tym procesie?

Odp. Lód pochłania energię, ale jego temperatura pozostaje niezmienna.

Zad. 4 Ciało ogrzano od -20 °C do 0 °C w ciągu 2 minut. Przez następne 16 minut jego temperatura pozostała niezmienna, mimo dalszego ogrzewania w ten sam sposób. Następnie w ciągu 4 minut jego temperatura wzrosła do +20 °C. Oceń, jaka to może być substancja i opisz procesy, które zaszły w opisanej sytuacji.

Odp. Substancją tą może być woda. W opisanej sytuacji zaszły procesy ogrzewania lodu, topnienia lodu i ogrzewania wody.

Zad. 5 Porównaj temperaturę oraz ciepło topnienia żelaza i stali.

Odp. Żelazo ma o 135 °C wyższą temperaturę topnienia w porównaniu do stali. Obie te substancje charakteryzują się jednak identycznym ciepłem topnienia.

Zad. 6 W jaki sposób zmianie ulega energia wewnętrzna lodu w trakcie jego topnienia. Porównaj ten proces ze zmianą energii, jaka zachodzi podczas krzepnięcia wody.

Odp. Energia wewnętrzna lodu zwiększa się podczas topnienia, podczas gdy energia wewnętrzna wody zmniejsza się w trakcie krzepnięcia.

Zad. 7 Oceń, czy lód należy do substancji łatwych lub trudnych do stopienia. Przy porównaniu weź pod uwagę substancje takie jak stal i żelazo. Uwzględnij wartość ciepła topnienia.

Odp. Lód ma większe ciepło topnienia od żelaza czy stali, jednakże topnieje on w temperaturze
0 °C, stal przy 1400 °C, a żelazo nawet 1535 °C. Po doprowadzeniu swoich temperatur topnienia szybciej ulegnie mu żelazo czy stal. Lód można jednak stosunkowo szybko stopić w temperaturze pokojowej, w przeciwieństwie do żelaza czy stali, które potrzebują bardzo wysokich temperatur.

Zad. 8 Opierając się na cząsteczkowej budowie ciała stałego, objaśnij z jakiego powodu w trakcie przyspieszonego topnienia lodu bez ogrzewania, np. przez posypanie solą, pozostała niestopiona jego część ulega zauważalnemu ochłodzeniu.

Odp. W tym przypadku do stopienia się lodu konieczne jest zmniejszenie się energii kinetycznej cząsteczek, a więc oziębienie lodu.

Zad. 9 Dane są dwa kawałki lodu o tych samych parametrach. Jeden z nich stopiono w stałej temperaturze, a drugi ogrzano o 1 °C. Oblicz ile razy więcej energii zużyto na stopnienie pierwszego kawałka niż na ogrzanie drugiego.

Odp. Zużyto 159 razy więcej energii.

Zad. 10 Dane są dwie bryły o masie 1kg. Jedna z nich wykonana jest z lodu, a druga z żelaza. Obie te bryły znajdują się we własnych temperaturach topnienia. Oblicz na stopienie której z nich niezbędny jest większy cieplny dopływ energii.

Odp. Na stopnienie bryły lodu trzeba 1,24 razy więcej energii.

Zad. 11 Oblicz wysokość, z jakiej musiałaby spaść bryła lodu mająca temperaturę 0 °C, by podczas zderzenia z Ziemią uległa stopnieniu bez zmiany temperatury. Do obliczeń przyjmij, że całkowita energia kinetyczna bryły zmienia się w jej energię wewnętrzną, g = 10 m/s2, a tarcie jest pomijalne.

Odp. Bryła ta musiałaby spaść z wysokości około 33,4 km.

Zad. 12 Oblicz ilość energii koniecznej do stopienia kostki ołowianej o temperaturze początkowej 12 °C i objętości 20 cm3.

Odp. Potrzeba około 14,6 kJ energii.

Zad. 13 Oblicz ilość energii koniecznej do stopienia bryły żelaznej, o temperaturze początkowej
20 °C i masie 100 kg, w temperaturze topnienia.

Odp. Potrzeba około 97 MJ energii.

Zad. 14 Do pojemnika zawierającego 20 l wody został wrzucony bloczek lodowy o masie 5 kg i temperaturze 0 °C. Oblicz, jaka musiałaby być temperatura początkowa wody w pojemniku, aby cały bloczek mógł się stopić, a temperatura wody w pojemniku spadłaby do 0 °C. Pomiń udział pojemnika w wymianie energii między lodem a wodą.

Odp. Temperatura początkowa musiałaby wynosić około 20 °C.

Zad. 15 Oblicz ilość energii koniecznej do stopienia bryły ołowianej o masie 2 kg, znajdującej się w temperaturze początkowej 17 °C. Załóż, że proces będzie przebiegać we właściwej dla ołowiu temperaturze topnienia.

Odp. Potrzeba około 130,6 kJ energii.