По прошествии некоторого времени после внесения льда и пара в калориметр, тепловое равновесие наступает. В данной ситуации, теплота, выделяемая при охлаждении пара и таянии льда, равна количеству теплоты, поглощаемой водой.
Для начала, найдем количество теплоты, поглощаемое при охлаждении пара. Для этого воспользуемся формулой⁚
Q mcΔT,
где Q ー количество теплоты, m ― масса вещества, c ー удельная теплоемкость, ΔT ― изменение температуры.Для пара⁚
Q_1 m_1c_1ΔT_1 10 г * 4,186 Дж/(г*°C) * (100°C ー T),
где m_1 10 г ― масса пара٫ c_1 4٫186 Дж/(г*°C) ― удельная теплоемкость пара٫ T ー искомая температура.Затем٫ найдем количество теплоты٫ поглощаемое при таянии льда. Для льда используется формула⁚
Q mL,
где Q ー количество теплоты, m ― масса вещества, L ー теплота плавления вещества.Для льда⁚
Q_2 m_2L 100 г * 334 Дж/г 33400 Дж,
где m_2 100 г ー масса льда, L 334 Дж/г ― теплота плавления льда.Так как теплоотдача пара и тепло поглощаемый льдом равны тепло поглощаемому водой, то⁚
Q_1 Q_2 Q_3,
где Q_3 ー количество теплоты٫ поглощаемое водой.Подставляем значения⁚
10 г * 4,186 Дж/(г*°C) * (100°C ― T) 100 г * 334 Дж/г 50 г * 4,186 Дж/(г*°C) * (T ー 40°C),
41٫86(100°C ー T) 33400 Дж 209٫3(Т ― 40°C)٫
4186 ー 41٫86Т 33400 Дж 209٫3Т ー 8372 Дж٫
251,3Т 37572 Дж,
Т 149٫44°C.Таким образом٫ температура калориметра после установления теплового равновесия составит около 149٫44 градусов Цельсия.
Для определения массы воды и льда в калориметре после установления теплового равновесия, можно использовать закон сохранения массы⁚
m_входная m_исходная,
где m_входная ― масса воды и льда после установления равновесия, m_исходная ー масса воды и льда до внесения в калориметр.m_исходная m_воды m_льда 50 г 100 г 150 г٫
m_входная m_воды m_льда 150 г.
Таким образом, после установления теплового равновесия масса воды и льда в калориметре будет составлять 150 граммов.