Для подогрева льда до точки плавления, расплавления льда, нагрева полученной воды до температуры кипения и для испарения воды потребуется следующее количество теплоты:
Q₁ = m(C₁ΔT₁ + λ₁ + C₂ΔT₂ + λ₂)
Для передачи этого количества теплоты потребуется получить от горелки (c учетом кпд) следующего количества теплоты:
Q₁/η = Q₂ = m'q
откуда искомое количество керосина равно
m' = Q₁/(qη) = m(C₁ΔT₁ + λ₁ + C₂ΔT₂ + λ₂)/(qη)
Здесь
m = 1 кг - масса льда
С₁ = 2400 Дж/(кг град) - удельная теплоёмкость льда
ΔT₁ = 100° - нагрев льда от -100° до 0°
λ₁ = 340 000 Дж/кг - удельная теплота плавления льда
C₂ = 4200 Дж/(кг град) - удельная теплоёмкость воды
ΔT₂ = 100° - нагрев воды от 0° до 100°
λ₂ = 2 256 000 Дж/кг - удельная теплота парообразования воды
q = 40 800 000 Дж/кг - удельная теплота сгорания керосина
η = 0,5 - кпд горелки в долях
m' = 1*(2400*100 + 340000 + 4200*100 + 2256000)/(0.5*40800000) = 0.16 кг = 160 г керосина
Получаем такую последовательность:
4 → 1 → 2→ 5→3
Im-амплитудное значение силы тока
Um-амплитудное значение напряжения
I и U - действующие соответственно
I=Im/√2
U=Um/√2
Im=I√2=7 А
Um=U√2=141 В
Поскольку работа в этом процессе не выполняется, то количество теплоты по первому началу термодинамики равно изменению внутренней энергии пара:
Q = ΔU
Q = (m/M)·(R/(γ-1))·ΔT
где М - молярная масса воды;
ΔT = Δt = 250-100=150 К
Число степеней свободы многоатомного газа (в том числе и для воды H₂O) равно i = 6.
Коэффициент Пуассона:
γ = (i+2)/i = (6+2)/6 ≈ 1,33
Имеем:
Q = (75·10³/18·10⁻³)·(8,31/0,33)·150 = (75/18)*(8,33/0,33)*150 ≈ 15 800 Дж