ФІЗИКА II Серія 4

Вибрані випуски тепла і перший закон термодинаміки

1. - Скільки вуглецю потрібно для нагрівання води в 40-галонному резервуарі від 40 ° F до 180 ° F. Якщо теплота згоряння використовуваного вугілля становить 6000 ккал/кг? (Галон води важить 8,34 фунтів.) Відповідь: 1,97 кг вугілля.

2.- Якщо 0,04 кг металу при 100 ° С помістити в 0,15 кг води при 18 ° С, а кінцева температура суміші 20 ° С, яка питома теплоємність металу? Відповідь: 0,094 ккал/кг $ ° C

3.- Якщо 0,08 кг алюмінію (питомої теплоти 0,212) при 100 ° C помістити в 0,1 кг води при 15 ° C, яка кінцева температура суміші? Відповідь: 27,3 ° C

4. - Дано два контейнери, один при 80 ° F, а інший при 205 ° F. Скільки води потрібно взяти з кожного, щоб мати 200 фунтів води при 150 ° F? Відповідь: 88 фунтів. Води при 80 ° F і 112 фунтів. При 205 ° F.

5.- ї Скільки кілокалорій виділяється при зміні 7,5 кг. від пари при 100 ° C до води при 40 ° C? Відповідь: 4500 ккал.

6.- Якщо 2 кг металу питомої нагрітості 0,092 при температурі 190 ° С помістити в 0,4 кг льоду при 0 ° С, яка кінцева температура суміші? Відповідь: 5,1 ° C.

7. - Якщо 0,1 кг пари при 130 ° C конденсується в 2,5 кг води при 30 ° C, що міститься в алюмінієвому калориметрі, який важить 0,5 кг, яка кінцева температура суміші? (Питома теплоємність алюмінію: 0,21 кал/г $ ° C; питома теплота пари: 0,5 кал/г $ ° C)

Відповідь: 51,1 ° С.

8.- ї Як довго може працювати 2000 КВ (147x10 4 Дж/с), активуючи енергію, що виділяється 1 км 3 морської води, коли температура води опускається на 1 ° C, якби все це тепло було перетворено в механічну енергію ? Чому цей величезний енергетичний бак не використовується? Відповідь: 28 476 $ 10 5 с = 90 років

9. - Будинок спалює 10 тонн вугілля в опалювальній установці із загальними втратами 15%. а) Скільки кілокалорій було використано для обігріву будинку? б) У деяких населених пунктах великі водосховища влітку нагріваються сонячною радіацією, а накопичена енергія використовується як опалення взимку. Обчисліть розміри накопичувального резервуару, кубічне припущення, щоб зберегти кількість енергії, рівну тій, що розраховується в частині а). Припустимо, вода влітку нагрівається до 50 ° C, а взимку охолоджується до 25 ° C. Відповідь: а) 5,525 $ 10 4 ккал; б) з боку резервуара: l3 м.

10. - 50 г зразка речовини при температурі 100 ° C опускають у калориметр, що містить 200 г води, при початковій температурі 20 ° C. Калориметр виготовлений з міді, а його маса становить 100 г. Кінцева температура калориметра становить 22 ° C. Обчисліть питому теплоємність зразка. Відповідь: 0,107 кал/г ° С

11.- Відкрита склянка містить 500 г льоду при -20 ° C. Він подається в посудину з постійною швидкістю 1000 кал/хв протягом 100 хв. Побудуйте криву, беручи витрачений час на абсцису і температуру на ординаті. Нехтуйте теплоємністю контейнера

12.- Трубка приєднується до ємності, в якій вода кипить при атмосферному тиску, калориметром. Маса калориметра становить 150 г, що еквівалентно у воді 15 г, і спочатку містить 340 г води при 15 ° C. Пара конденсується в калориметрі, поки температура його не підніметься до 71 ° C, після чого маса калориметра і його вміст - 525 г. Обчисліть за цими даними теплоту випаровування води.

Відповідь: 539 кал/г.

13. - У системі опалення для гарячої води вода доходить до радіаторів при температурі 60 ° C, а виходить при 38 ° C. Бажано замінити систему опалення паровою системою, в якій пара при атмосферному тиску конденсується на радіаторах, залишаючи їх при 82 ° C. ї Скільки кілограмів пари буде подавати те саме тепло, яке подає 1 кг гарячої води при першій установці?

Відповідь: 0,0396 кг пар.

14. - Скільки Btu втрачається за годину через 114-дюймове скляне вікно. товстий і 24 дюйма. x 48 дюймів площі, якщо зовнішня температура 30 ° F, а внутрішня температура 72 ° F? Відповідь: 9880 Btu

15. - Шматок бронзи товщиною 0,01 м піддається впливу температури 40 ° C з одного боку та 30 ° C з іншого. Якщо він пропускає 3,75 ккал за 5 хв через 5 см площу, якою є теплопровідність бронзи? Відповідь: 0,25 ккал/м $ s $ ° C

16. Електричний холодильник добре утеплений, за винятком дверей, товщина яких становить 5 дюймів, ширина 2 фути та висота 4,5 фута. Щоб підтримувати середню температуру в холодильнику на рівні 38 ° F, коли температура в приміщенні становить 85 ° F, двигун працює протягом 10 хв і зупиняється на 15 хв. Скільки Btu на годину ви виймаєте зсередини холодильника під час роботи двигуна? Середній коефіцієнт теплопровідності дверей становить 0,2 Btu $ в/год $ 2 $ ° F. Відповідь: 53 Бту/год

17.- (а) ї Якими є втрати тепла у Вт/м 2 через скляне вікно товщиною 3,0 мм. якщо зовнішня температура –5 ° C, а внутрішня температура + 22 ° F.? (b) Якщо встановлено екран, який має однакову товщину скла, але розміщений із повітряним зазором 7,5 см між двома вікнами, якими будуть відповідні втрати тепла?

18. - Стержень довжиною 2 м складається з твердого сталевого сердечника діаметром 1 см, оточеного мідною оболонкою, зовнішній діаметр якої становить 2 см. Зовнішня поверхня стержня теплоізольована: один кінець підтримується при 100 ° C, а інший при 0 ° C. а) Обчисліть загальний тепловий струм у барі. б) Яку частку транспортує кожна речовина? Відповідь: а) 1,13 кал/с; b) для сталі: 4%, для міді: 96%

19. Припустимо, що теплопровідність міді вдвічі перевищує алюмінієву і в чотири рази - латуні. Три металеві стержні, виготовлені з міді, алюмінію та латуні, відповідно, мають розмір 6,0 дюйма. довгий і 1,0 дюйма діаметр, ці стержні розміщені впритул, алюмінієвий - між двома іншими. Вільні кінці мідних та латунних стрижнів підтримуються при 100 ° C та 0 ° C відповідно. Знайдіть рівноважні температури місця з'єднання міді та алюмінію та з'єднання алюмінію та латуні. Відповідь: Cu-Al, 86 ° C; Аль-латунь, 57 ° C.

20. - (а) З наступних даних обчисліть швидкість, з якою тепло тіла виходить через одяг лижника. Поверхня його тіла становить 1,8 м 2, а одяг товщиною 1,0 см; температура поверхні шкіри становить 33 ° C, а зовнішньої частини одягу -5 ° C; теплопровідність одягу 0,04 Вт/м $ ° К. (б) Як би змінилася відповідь, якби після падіння одяг лижника був змочений водою?

21.- Тепло тече радіально назовні через циліндричний ізолятор зовнішнього радіуса R2, який оточує паропровід внутрішнього радіуса R1, де переконано, що H = 2 або Lk (t1-t2)/In (R2/R1). Температура внутрішньої поверхні ізолятора дорівнює t, а зовнішньої поверхні t2. На якій радіальній відстані від центру трубки знаходиться температура, середнє арифметичне t1 і t2?

22. - Шеф-кухар, прокинувшись одного дня і виявивши, що його шахрайство не працює, вирішує зварити воду для кави дружини, струшуючи її в термос-пляшці. Припустимо, він використовує півлітра води при температурі 28 ° C, вода падає 1,0 фута при кожному струсі, і шеф-кухар виконує 30 тремтінь щохвилини. Ігноруючи будь-які втрати тепла, скільки часу потрібно струшувати пляшку, щоб вода закипіла?

23.- Визначте значення механічного еквівалента тепла J за такими даними: подається 2000 кал. до системи. Під час подачі система виконує зовнішню роботу на 3350 Дж; приріст внутрішньої енергії під час процесу становить 5030 Дж. Відповідь: 4190 Дж/кал).

24. (а) Обчисліть можливе підвищення температури води, що падає на Ніагарському водоспаді, яка досягає 162 футів. (б) Які фактори, як правило, перешкоджають цьому можливому збільшенню? Відповідь: (а) 0. 121C.

25. В експерименті Джоуля маса вагою 6,00 кг падає з висоти 50,0 м і обертається лопатевим колесом, що перемішує 0,600 кг води. Спочатку вода має температуру 15,01 ° С. їНа скільки підвищується температура?

26. Спортсмен розсіює всю енергію, яку забезпечує дієта в 4000 ккал на день. Якби ви виділяли таку енергію, як тепло, з однаковою швидкістю, як би порівнювалася ця енергія, що виходить у лампи потужністю 100 Вт? (Примітка. Харчова калорія насправді становить одну кілокалорію, як ми це визначили.) Відповідь: В 1,9 рази вище.

27. Потужність подається зі швидкістю 0,40 к. С. Протягом 2,0 хв. Для свердління отвору в мідному блоці вагою 1,0 фунта. (а) Скільки генерується тепла? (б) Яке підвищення температури міді, якщо на її нагрівання витрачається лише 75% потужності? (c) Що відбувається з рештою 25%?

28. Свинцева куля об'ємом 2,0 г, що рухається зі швидкістю 200 м/с, закінчується вбудованою в 2,0-кг брусок дерева, який підвішений, як сочевиця маятника (так званий балістичний маятник). Обчисліть підвищення температури кулі, припускаючи, що вся поглинена енергія збільшує температуру кулі.

29 - Термодинамічна система створена для переходу від початкового стану A до іншого стану B і назад до A через стан C, як показано шляхом A BCA на PV-діаграмі на рис. (A) Заповніть таблицю на рис. ( б) зі знаками + або -, що відповідають позначенням знаків термодинамічних величин, пов'язаних з кожним процесом. (b) Обчислити числове значення роботи, виконаної системою за повний цикл A-B-C-A.

фізика



30. - Коли система переходить від стану i до стану fa вздовж шляху iaf на малюнку, виявляється, що Q = 50 Дж, а W = -20 Дж. По шляху ibf, Q = 36 Дж a) Що таке значення W вздовж шляху ibf? б) Якщо W = +13 Дж на криволінійному шляху назад fi, скільки коштує Q на цьому шляху? в) Вважайте, що Ui = 10 Дж. Скільки коштує Uf d) Якщо Ub = 22 кал, ї Скільки коштує Q в процесі ib?, їy в процесі bf?


31. На малюнку зображений балон, який містить газ і закритий рухомим поршнем. Циліндр занурений у суміш льоду та води. Плунжер швидко штовхається з положення (1) у положення (2). Плунжер утримують у положенні (2) до тих пір, поки газ не повернеться до 0 "С, а потім його повільно піднімають, поки він не повернеться в положення (1). Малюнок являє собою PV-схему цього процесу. Якщо протягом циклу плавиться 100 г льоду, скільки роботи зроблено на газі? Відповідь: 8000 кал.


32. Залізна кулька опускається на бетонну підлогу з висоти 10 м. При першому відскаку воно піднімається на висоту 0,50 м. Припустимо, що вся макроскопічна механічна енергія, втрачена при ударі землею, залишається в кулі. Питома теплоємність заліза становить 0,12 кал/г ° С. Під час зіткнення (а) чи додано тепло до кульки? (б) Чи проводилась якась робота над цим? (c) Чи змінилася ваша внутрішня енергія? Якщо так, то скільки? (г) На скільки підвищилася температура кулі після першого зіткнення? Відповідь: (a) Ні. (b) Так. (c) Так, при + 93 Дж/кг. (d) 0,20 ° C.

33. - Газ, укладений у камері, проходить цикл, показаний на малюнку. Визначте тепло, додане до газу в процесі CA sн QAB = 20 Дж, QBC = 0 і WBCA = - 15 Дж.

34. - Машина несе 1,00 моль ідеального одноатомного газу за цикл, показаний на малюнку. Процес АВ відбувається при постійному обсязі, процес ВС - адіабатичний, а процес СА - при постійному тиску. (а) Обчисліть теплоту Q, зміну внутрішньої енергії AU та роботу W для кожного з трьох процесів та для циклу в цілому. (b) Якщо початковий тиск у точці A дорівнює 1,00 атм, знайди тиск і об'єм у точках B і C. Використовуй 1 атм = 1,0 13 $ 105 Па і R = 8,314 Дж/моль $ ° K.