Сверь числа и знаки с фото.
В калориметре (теплоёмкость пренебречь) находится лёд массой \(m=(0{,}5+0{,}05n)\) кг при температуре \(t_1=-(10+n)\)°C. В лёд вливают воду массой \(M=(1{,}0+0{,}1n)\) кг при температуре \(t_2=(40+2n)\) °C. Определите конечное состояние системы (температуру и агрегатные состояния), а также массы льда и воды после установления теплового равновесия. Решить задачу со своим вариантом, быть готовым записать решение по памяти.
Кратко: \(n\) — это номер варианта, поэтому без его значения получится общая формула. Беру стандартные данные:
\(c_i=2100\) Дж/(кг·°C) — лёд, \(c_w=4200\) Дж/(кг·°C) — вода, \(\lambda=3{,}3\cdot10^5\) Дж/кг.
\[ m=0{,}05(n+10)\ \text{кг},\qquad M=0{,}10(n+10)=2m. \]
Ответ в общем виде
1. Если \(n>\frac{50}{49}\approx1{,}02\)
Для целых номеров вариантов это \(n\ge2\). Тепла хватает, чтобы лёд полностью растаял.
\[ T=\frac{49n-50}{42}\;^\circ\mathrm{C} \]
То есть:
- температура \(T\);
- льда \(0\) кг;
- воды \[ m+M=0{,}15(n+10)=1{,}5+0{,}15n\ \text{кг}. \]
Например, при \(n=2\): \[ T=\frac{98-50}{42}=1{,}14^\circ\mathrm{C}, \] воды \(1{,}8\) кг, льда нет.
2. Если \(n<\frac{50}{49}\)
Для целых номеров это \(n=1\) (а также \(n=0\), если такой вариант возможен). Лёд не успевает растаять полностью, поэтому конечная температура:
\[ T=0^\circ\mathrm{C}. \]
Масса растаявшего льда:
\[ x=\frac{Q_0}{\lambda}, \qquad Q_0=105(n+10)(7n+150). \]
Тогда: \[ \text{остаток льда}=m-x, \qquad \text{масса воды}=M+x. \]
Для \(n=1\):
\[
x\approx0{,}5495\ \text{кг},
\]
остаётся примерно \(0{,}0005\) кг льда, воды примерно \(1{,}6495\) кг.
При другом табличном значении \(\lambda\) масса остатка немного изменится, но температура останется \(0^\circ\mathrm{C}\).
Почему так
Сначала проверяем, хватит ли тепла, чтобы нагреть лёд до \(0^\circ\mathrm{C}\) и расплавить его.
Вода, остывая до \(0^\circ\mathrm{C}\), отдаёт:
\[ Q_w=c_wM(40+2n) =840(n+10)(n+20). \]
На нагрев льда до \(0^\circ\mathrm{C}\) нужно:
\[ Q_i=c_i m(n+10) =105(n+10)^2. \]
Остаётся на плавление:
\[ Q_0=Q_w-Q_i =105(n+10)(7n+150). \]
Чтобы весь лёд растаял, нужно:
\[ Q_0\ge \lambda m =16500(n+10). \]
Отсюда:
\[ 105(7n+150)\ge16500 \quad\Rightarrow\quad n\ge\frac{50}{49}\approx1{,}02. \]
Если это выполнено, остаток тепла нагревает уже всю воду:
\[ Q_{\text{ост}}=Q_0-\lambda m =(n+10)(735n-750). \]
Полная масса воды:
\[ M+m=0{,}15(n+10), \]
поэтому
\[ T=\frac{Q_{\text{ост}}}{c_w(M+m)} =\frac{49n-50}{42}. \]
Если же \(Q_0<\lambda m\), температура выше \(0^\circ\mathrm{C}\) быть не может: лёд и вода находятся при \(0^\circ\mathrm{C}\), а растаяла только часть льда.