Задачи › Количество теплоты, уравнение теплового баланса

Нагревание электролита

  1. Нагревание электролита

    МОШ 1994/95, 10 кл.
    6/10

    В стеклянную кювету, две противоположные стенки которой покрыты слоем меди, налит водный раствор медного купороса (\(\text{CuSO}_4\)) с удельным сопротивлением \(\rho\). Высота слоя электролита равна \(h\). Ширина проводящих стенок кюветы равна \(b\), расстояние между ними \(L\). Кювету подключают к источнику тока частотой \(f\). Закон изменения тока показан на рисунке. Найдите изменение температуры электролита за время \(t \gg \dfrac{1}{f}\) после подключения, если масса катода кюветы за это время увеличилась на \(m\). Теплоёмкость электролита равна \(C\), атомная масса меди \(A\). Считайте, что всё джоулево тепло идёт на нагревание электролита, поляризацией электродов пренебречь.

    Рисунок
    ▶Показать разборСкрыть разбор
    Ответ

    \(\Delta T = \dfrac{\rho LtI_0^2}{2bhC} = \dfrac{2m^2Z^2F^2\rho L}{A^2bhCt}\), где \(Z = 2\) — валентность меди, \(F\) — постоянная Фарадея.

    Решение

    Из приведённой в условии задачи зависимости \(I(t)\) следует, что при \(t \gg 1/f\) в течение времени \(t/2\) через кювету течёт некоторый постоянный ток \(I_0\), а в течение остального времени ток в цепи отсутствует. В соответствии с законом электролиза Фарадея, за время \(t/2\) на электродах выделяется масса меди \[m = \dfrac{A}{ZF}\cdot\dfrac{I_0t}{2},\] где \(F\) — постоянная Фарадея, \(Z = 2\) — валентность меди. В соответствии с законом Джоуля — Ленца, за это же время в электролите выделяется количество теплоты \[\Delta Q = I_0^2\cdot\rho\dfrac{L}{bh}\cdot\dfrac{t}{2}.\] Так как это тепло полностью идёт на нагревание электролита, то, на основании уравнения теплового баланса, можно записать: \(\Delta Q = C\Delta T\), где \(\Delta T\) — искомое изменение температуры электролита. Решая полученные уравнения, найдём, что температура электролита за время \(t \gg 1/f\) возрастёт на величину \[\Delta T = \dfrac{\Delta Q}{C} = \dfrac{\rho LtI_0^2}{2bhC} = \dfrac{2m^2Z^2F^2\rho L}{A^2bhCt}.\]

    Вся олимпиада на сайте

    Страница задачиОшибка в задаче?

Похожие задачи