НОФ 2023, III кръг (национален), 10. клас — Задача 3. Задачата се състои от две независими части
Национална олимпиада по физика 2023, национален кръг, четвърта състезателна група (10. клас) · 22 април 2023 г. · 10 т.
Условие
Задачата се състои от две независими части
Част 1. Изчистваме палубата на кораб от лед

Палубата на риболовен кораб е покрита с големи парчета лед с температура , останали след чистене на хладилните камери. Работник на кораба трябва да махне леда, като го полива от маркуч със струя вода с температура . За да не се наводнява палубата, в основата ѝ има процепи, през които излишната вода изтича в морето. Масата вода, която се излива от маркуча върху леда за единица време, е . Температурата на изтичащата от процепите вода е . Топлообменът между водата и околната среда се пренебрегва.
Специфичният топлинен капацитет на водата е , а специфичната топлина на топене на леда е .
А) Напишете уравнението за топлинен баланс в общия случай, т.е. когато произволен брой n тела обменят топлина помежду си. [1 т.]
Б) Получете израз за количеството топлина , което падащата вода обменя с леда за определен интервал от време . [2 т.]
В) Получете израз за количеството топлина , което ледът получава от падащата върху него вода за определен интервал от време . [1 т.]
Г) Получете израз и пресметнете масата вода , изтичаща от процепите в палубата за единица време. [4 т.]
Жокер: Обърнете внимание, че размерността на q е kg/s! Може да използвате, че за даден инертвал от време от маркуча се излива вода с маса .
Част 2. Как да изчакаме чаят да изстине! (2 т.)
Тази задача не изисква аналитично решение (формули), а само обяснение въз основа на природните закони.
Обичам да пия чай с малко добавено мляко. Сипвам си много горещ чай в чашата и изваждам млякото от хладилника. Как трябва да постъпя, така че чаят да се охлади по-бързо до температура, подходяща за пиене:
а) да изчакам 5 минути и после да добавя малко мляко;
б) веднага да добавя малко мляко и после да изчакам, докато сместа изстине.
Жокер: Количеството топлина Q, отдадено в околното пространство за единица време зависи от разликата между температурите на чашата и тази на околната среда. Приемете, че чаят и млякото имат приблизително един и същ специфичен топлинен капацитет и масата на добавеното мляко е много по-малка от масата на чая.
Решение
Част 1. Изчистваме палубата на кораб от лед
А)
За телата, които отделят топлина , а за телата, които поглъщат топлина .
Б) Изтичащата от маркуча вода (струята) обменя за време количество топлина:
Понеже , следва че , т.е. водата отдава топлина.
В) Нека е масата на разтопения лед за време . Тогава ледът получава топлина, докато се стопи, а образувалата се вода – докато се затопли от до :
Г) От уравнението за топлинен баланс:
следва, че масата на разтопения лед за време е:
От палубата за единица време изтича излязлата от маркуча вода плюс водата, получена при разтапяне на леда:
Част 2. Как да изчакаме чаят да изстине?
Необходимо е да изчакам 5 минути и после да добавя малко мляко.
Решение: Може да се приеме, че чаят и млякото, като воден разтвор, имат приблизително един и същ топлинен капацитет. В началото чаят ще отдава най-бързо топлина в околната среда, защото температурата му е висока. След това ще добавя малко мляко, което ще доохлади чая.
Ако постъпя обратно, то добавеното мляко ще намали с малко температурата на чая, т.е. ще се намали и отдаденото за единица време количество топлина. Освен това ще се увеличи количеството на горещата напитка, която трябва да се охлади. Следователно чаят ще се охлади по-бавно във втория случай. (2 т)
Оригинал в Архива: NOF3_2023_10problems.pdf · официални решения: NOF3_2023_10solutions.pdf