НОФ 2022, III кръг (национален), 9. клас — Задача 3. Превръщане на вода в лед и на лед във вода

Национална олимпиада по физика 2022, национален кръг, тема за III състезателна група (9. клас) · 1 април 2022 г. · 10 т.

Условие

Задачата се състои от две независими части.

Част 1. Дали можем да четем графики? (2,5 т.)

Клиент в магазин купува торбичка с лед от фризера, която пуска в калориметър с неизвестно количество вода. На фигурата са показани пет различни графики, показващи промяната на температурата в калориметъра (с непрекъсната линия) и в торбичката (с пунктир) в зависимост от обмененото между тях количество топлина QQ. Със символа tkt_\mathrm{k} е означена равновесната температура, която се достига в калориметъра. Попълнете таблицата, като за всяка графика посочите дали е възможна от физична гледна точка и какво е крайното състояние на веществото в калориметъра и в торбичката – лед или вода. Топлообменът с околната среда да не се отчита.

Пет графики, означени А), Б), В), Г) и Д), всяка с ос t (температура) нагоре и ос Q (топлина) надясно; на всяка са начертани непрекъсната линия за калориметъра и пунктирана линия за торбичката, с означена равновесна температура t_k.
ГрафикаВъзможна ли е графиката? (Да/Не)Крайно състояние в торбичката (лед или вода)Крайно състояние в калориметъра (лед или вода)
А)
Б)
В)
Г)
Д)

Част 2. Да напълним калориметъра със снежни топки (7,5 т.)

В калориметър с нагревател, с постоянна мощност PP, през равни интервали от време t0=6 mint_0 = 6\ \mathrm{min}, се пускат снежни топки с еднаква маса mm, но с неизвестна начална температура. Първата топка се е разтопила и превърнала във вода с температура 0 ∘C0\ {}^\circ\mathrm{C} след време t=5 mint = 5\ \mathrm{min} и 20 s20\ \mathrm{s}. В момента на пускане на втората снежна топка температурата в калориметъра се е повишила до T0=10∘CT_0 = 10^\circ\mathrm{C}. Втората снежна топка се разтопила по-бързо от първата топка, третата – по-бързо от втората, а стотната топка се е разтопила почти веднага.

А) Обяснете защо всяка следваща топка, пусната в калориметъра, се разтапя по-бързо от предходната. [0,5 т.]

Б) Напишете уравнение за количеството топлина, необходимо за пълното разтопяване на първата снежна топка. [1,5 т.]

В) Напишете уравнение за количеството топлина, нужна за нагряване на водата от вече разтопената първа снежна топка до температура T0T_0. [1,5 т.]

Г) Намерете температурата на водата преди пускането на стотната топка в калориметъра. [2 т.]

Д) Намерете температурата на водата след като стотната топка се е разтопила. [2 т.]

Жокер: В условието е казано, че стотната топка се разтопила почти веднага. Това означава, че количеството топлина получено от нагревателя е малко, т.е. основното количество топлина към стотната снежна топка се получава от получената вода с маса 99m99m при начална температура T0T_0.

Отговори

Решение

Теми и трудност

Трудност: неоценена.

Топлинни явления · Калориметрия · Фазови преходи

Предпоставки: Прогимназиална подготовка, Разширена олимпиадна подготовка


Оригинал в Архива: NOF3_2022_9problems.pdf · официални решения: NOF3_2022_9solutions.pdf