Вопрос школьника
В одном из опытов Джоуля перемешивалось 7 кг воды. Мешалка приводилась в движение двумя грузами по 14 кг каждый, которые опускались на 2 м по вертикали. Затем Джоуль поднимал грузы вверх и повторял опыт. Как изменится температура воды при 10-кратном повторении опыта? Ответ поясните.
Ответ от учителя
В данном опыте работа, затраченная на подъем грузов, превращается во внутреннюю энергию воды, что приводит к ее нагреванию. Работа, затраченная на подъем грузов, равна произведению силы тяжести на перемещение грузов по вертикали:
W = F * h = m * g * h
где W — работа, F — сила тяжести, h — высота подъема, m — масса груза, g — ускорение свободного падения.
Для каждого груза работа равна:
W = 14 кг * 9,8 м/с^2 * 2 м = 274,4 Дж
Так как грузы поднимаются на одинаковую высоту, то общая работа, затраченная на подъем грузов, равна:
W = 2 * 274,4 Дж = 548,8 Дж
Теплоемкость воды равна 4,18 Дж/(град * с), что означает, что для нагревания 1 г воды на 1 градус Цельсия необходимо затратить 4,18 Дж энергии.
Масса воды в опыте равна 7 кг, поэтому для нагревания ее на ΔT градусов Цельсия необходимо затратить:
Q = m * c * ΔT = 7 кг * 4,18 Дж/(град * с) * ΔT = 29,26 ΔT Дж
Таким образом, для нагревания воды на 1 градус Цельсия необходимо затратить 29,26 Дж энергии.
При каждом повторении опыта вода нагревается на 548,8 Дж, что соответствует:
ΔT = 548,8 Дж / 29,26 Дж/град ≈ 18,75 градусов Цельсия
Таким образом, при 10-кратном повторении опыта температура воды увеличится на 187,5 градусов Цельсия. Однако, следует учитывать, что при таком значительном нагревании воды могут происходить химические реакции и изменения ее свойств, поэтому такой опыт не является практически применимым.
