Остывание горячего чая
5/10Любители чая считают, что кипяток, налитый в чашку, может заметно остыть даже за несколько секунд, что испортит качество получившегося чая. Проверим, правы ли они. Над чашкой очень горячей воды поднимается пар. Скорость подъёма пара, оцениваемая на глаз, равна \(V = 0{,}1\) м/с. Считая, что весь поднимающийся над чашкой пар имеет температуру \(100\ {}^\circ\)C, оцените скорость остывания чашки с очень горячей водой за счёт испарения воды (эта скорость измеряется в градусах за секунду). Масса воды в чашке \(m = 200\) г, площадь поверхности воды \(S = 30\) см\(^2\), удельная теплота парообразования воды \(L = 2{,}3\cdot 10^6\) Дж/кг, удельная теплоёмкость воды \(C = 4{,}2\cdot 10^3\) Дж/(кг\(\cdot{}^\circ\)C), плотность водяного пара при \(100\ {}^\circ\)C равна \(\rho = 0{,}58\) кг/м\(^3\).
▶Показать разборСкрыть разбор
Ответ\(\dfrac{\Delta T}{\Delta t} \approx 0{,}5\ {}^\circ\)C/с (чай остывает примерно на градус за две секунды).
РешениеЗа промежуток времени \(\Delta t\) за счёт испарения с поверхности чая образуется объём пара \(SV\Delta t\) массой \(\Delta m = \rho SV\Delta t\). На его образование будет затрачено количество тепла \(\Delta Q = L\Delta m = L\rho SV\Delta t\), которое отнимается от чая, вызывая его охлаждение на \(\Delta T = \Delta Q/(mC) = L\rho SV\Delta t/(mC)\). Отсюда скорость охлаждения чая составит \[\dfrac{\Delta T}{\Delta t} = \dfrac{L\rho SV}{mC} = \dfrac{2{,}3\cdot 10^6\ \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг}}\cdot 0{,}58\ \dfrac{\text{кг}}{\text{м}^3}\cdot 3\cdot 10^{-3}\text{ м}^2\cdot 0{,}1\ \dfrac{\text{м}}{\text{с}}}{0{,}2\text{ кг}\cdot 4{,}2\cdot 10^3\ \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг}\cdot{}^\circ\text{C}}} \approx 0{,}5\ \dfrac{{}^\circ\text{C}}{\text{с}}.\] Таким образом, чай будет остывать приблизительно на один градус за две секунды, то есть довольно быстро: через десять секунд его температура станет равной лишь \(95\ {}^\circ\)C, а это уже совсем не кипяток. Значит, любители горячего чая правы!
Примечание: это, конечно, «оценка сверху»; реальная скорость остывания будет ниже.
Похожие задачи
- Температура батареи МОШ 1960/1986, 8-11 кл.
- Пробирка в горячей и холодной воде МОШ 1960/1986, 8-11 кл.
- Похолодание «Туймаада» 1995/96, 11 кл.
- Электроплитка ВсОШ 2009/10, 9 кл.
- Охлаждение воды на морозе МОШ 2012/13, 8 кл.
- Проволока с тепловой отдачей «Шаг в будущее» 2014/15, 8 кл.