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一升 100℃ 的水里倒入一升 0℃ 的水,得到的是不是两升 50℃ 的水?

本帖由 漂亮的石头2020-08-23 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

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    [​IMG] stone-zeng 阅读原文

    先从最简单的情形开始考虑吧。

    等质量混合,忽略热容变化

    中学热学公式:

    [​IMG]

    两边消去[​IMG],显然有

    [​IMG]

    等体积混合,忽略热容变化

    众所周知水的密度与温度有关,查表可知,100 kPa 下 0 °C 与 100 °C 时水的密度分别为 0.99984 和 0.95840 g/cm³[1]。因此

    [​IMG]

    等体积混合,考虑热容变化

    水的热容也并非常数。和上文密度在同一张表[1]里面,也可以找到(定压)热容的数据。考虑到实际的物理过程,这里使用定压热容也会比定体热容合适一点。

    因为热容不再是常数,吸放热公式需改为积分形式:

    [​IMG]

    带入数据数值求解一番:

    (* 构建插值公式 *)density=Interpolation[Transpose@{Range[0,100,10],{0.99984,0.99970,0.99821,0.99565,0.99222,0.98803,0.98320,0.97778,0.97182,0.96535,0.95840}}];heatCapacity=Interpolation[Transpose@{Range[0,100,10],{4.2176,4.1921,4.1818,4.1784,4.1785,4.1806,4.1843,4.1895,4.1963,4.2050,4.2159}}];(* 质量(密度)之比 *)m1$m2=density[0]/density[100];(* 数值求解 *)sol=FindRoot[m1$m2*Integrate[heatCapacity[T],{T,0,Tf}]==-Integrate[heatCapacity[T],{T,100,Tf}],{Tf,50}]

    得到最终温度为 48.9946 °C。此时的体积:

    2/density[Tf]/.sol

    结果为 2.0243 L。



    我们这里的计算仅考虑热力学因素,动力学因素(混合过程中对流等过程)过于复杂,没有办法从基础的物理学公式得到,因此不做考虑。如何选择近似、选择多大程度的近似,始终是物理学中的一个重要话题。

    阅读原文
     
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