Задачи › Количество теплоты, уравнение теплового баланса

Смеситель

  1. Смеситель

    Санкт-Петербургская 2012/13, 8 кл.
    6/10

    По правой трубе в смеситель (см. рис.) поступает синяя жидкость температуры \(T_1 = 40^\circ\)C и объёмной теплоёмкости \(C_1 = 2{,}4\) кДж/(л\(\cdot{}^\circ\)C) с постоянным потоком \(J_1 = 1\) л/с. По левой трубе подают жёлтую жидкость при температуре \(T_2 = 20^\circ\)C и с объёмной теплоёмкостью \(C_2 = 1{,}3\) кДж/(л\(\cdot{}^\circ\)C), причём поток \(J_2\) можно изменять. Литр синей и литр жёлтой жидкостей, смешиваясь, реагируют с выделением тепла \(Q = 200\) кДж и превращаются в два литра фиолетовой жидкости с теплоёмкостью \((C_1 + C_2)/2\). Если объёмы синей и жёлтой жидкостей не равны, излишек в реакцию не вступает. Постройте график температуры потока на выходе из смесителя от мощности \(J_2\) входящего потока жёлтой жидкости. Тепловыми потерями пренебречь.

    Рисунок
    ▶Показать разборСкрыть разбор
    Ответ

    График температуры на выходе — см. рисунок в решении: максимум \(87^\circ\)C при \(J_2 = J_1 = 1\) л/с, при \(J_2 \to 0\) температура стремится к \(40^\circ\)C, при \(J_2 \to \infty\) — к \(20^\circ\)C.

    Решение

    Температура фиолетовой жидкости получается из теплового баланса: её теплоёмкость — среднее арифметическое теплоёмкостей синей и жёлтой, поэтому её можно рассматривать как смесь синей и жёлтой жидкостей, а выделившееся тепло \(QV\) добавить к ней. Для равных объёмов \(V\): \[T_v = \frac{VC_1T_1 + VC_2T_2 + QV}{V(C_1 + C_2)} = \frac{2{,}4 \cdot 40 + 1{,}3 \cdot 20 + 200}{3{,}7} \approx 87^\circ\text{C}.\] Эта температура не зависит от реагировавших объёмов. Поток на выходе равен сумме входящих и имеет постоянную температуру, поэтому достаточно рассмотреть систему за время \(\tau\) и записать тепловой баланс. Если \(J_2 \le J_1\): \[T_3 = \frac{2J_2\tau\frac{C_1+C_2}{2}\,T_v + (J_1-J_2)\tau C_1\,T_1}{2J_2\tau\frac{C_1+C_2}{2} + (J_1-J_2)\tau C_1},\] а при \(J_2 > J_1\): \[T_3 = \frac{2J_1\tau\frac{C_1+C_2}{2}\,T_v + (J_2-J_1)\tau C_2\,T_2}{2J_1\tau\frac{C_1+C_2}{2} + (J_2-J_1)\tau C_2}.\]

    Рисунок

    Вся олимпиада на сайте

    Страница задачиОшибка в задаче?

Похожие задачи