ФИЗИКА II Серия 4

Избрани издания на топлината и първи закон на термодинамиката

1. - Колко въглерод е необходим за нагряване на водата в резервоар от 40 галона от 40 ° F до 180 ° F. Ако топлината на изгаряне на използваните въглища е 6000 kcal/kg? (Галон вода тежи 8,34 фунта.) Отговор: 1,97 кг въглища.

2.- Ако 0,04 кг метал при 100 ° С се постави в 0,15 кг вода при 18 ° С и крайната температура на сместа е 20 ° С, каква е специфичната топлина на метала? Отговор: 0,094 kcal/kg $ ° C

3. - Ако 0,08 кг алуминий (със специфична топлина 0,212) при 100 ° С се постави в 0,1 кг вода при 15 ° С, каква е крайната температура на сместа? Отговор: 27.3 ° С

4. - Дават се два контейнера, единият при 80 ° F, а другият при 205 ° F. Колко вода трябва да се вземе от всяка, за да има 200 lb вода при 150 ° F? Отговор: 88 lbs. Вода при 80 ° F и 112 lbs. При 205 ° F.

5. - Колко килокалории се отделят при смяна на 7,5 кг. от пара при 100 ° C до вода при 40 ° C? Отговор: 4500 ккал.

6.- Ако 2 kg метал със специфична топлина 0,092 при температура 190 ° C се поставят в 0,4 kg лед при 0 ° C, каква е крайната температура на сместа? Отговор: 5.1 ° С.

7. - Ако 0,1 кг пара при 130 ° C кондензира в 2,5 кг вода при 30 ° C, съдържаща се в алуминиев калориметър с тегло 0,5 кг, каква е крайната температура на сместа? (Специфична топлина на алуминий: 0,21 кал/g $ ° C; специфична топлина на парите: 0,5 кал/g $ ° C.)

Отговор: 51,1 ° С.

8. - Колко дълго може да работи двигател с 2000 CV (147x10 4 J/s), активирайки енергията, освободена от 1 km 3 морска вода, когато температурата на водата спадне 1 ° C, ако цялата тази топлина се превърне в механична енергия ? Защо този огромен енергиен резервоар не се използва? Отговор: 28 476 $ 10 5 секунди = 90 години

9. - Къща изгаря 10 тона въглища в отоплителна инсталация с общи загуби от 15%. а) Колко килокалории са използвани за отопление на къщата? б) В някои населени места големи резервоари с вода се отопляват през лятото от слънчева радиация, а натрупаната енергия се използва като отопление през зимата. Изчислете размерите на резервоара за съхранение, кубично предположение, за да съхраните количество енергия, равно на изчисленото в част а). Да приемем, че водата се нагрява до 50 ° C през лятото и се охлажда до 25 ° C през зимата. Отговор: а) 5.525 $ 10 4 kcal; б) страна на резервоара: l3 m.

10. - 50 g проба от вещество при температура 100 ° C се пуска в калориметър, съдържащ 200 g вода при начална температура 20 ° C. Калориметърът е изработен от мед и масата му е 100 g. Крайната температура на калориметъра е 22 ° C. Изчислете специфичната топлина на пробата. Отговор: 0.107 кал/g ° С

11. - Отворена чаша съдържа 500 g лед при -20 ° C. Той се подава в съда с постоянна скорост от 1000 кал/мин за 100 минути. Постройте крива, като вземете изминалото време върху абсцисата и температурата по ордината. Пренебрегвайте топлинния капацитет на контейнера

12. - Една тръба се присъединява към контейнер, в който водата кипи при атмосферно налягане с калориметър. Масата на калориметъра е 150 g, еквивалентът му във вода 15 g и първоначално съдържа 340 g вода при 15 ° C. Парите се кондензират в калориметъра, докато температурата му се повиши до 71 ° C, след което масата на калориметъра и съдържанието му е 525 g. С тези данни се изчислява топлината на изпаряване на водата.

Отговор: 539 кал/g.

13. - В система за отопление на битова гореща вода водата достига радиаторите при температура 60 ° C и излиза при 38 ° C. Желателно е отоплителната система да бъде заменена с парна система, в която парата при атмосферно налягане се кондензира върху радиаторите, оставяйки ги при 82 ° C. Колко килограма пара ще доставят същата топлина, която доставя 1 кг гореща вода при първата инсталация?

Отговор: 0,0396 кг. пара.

14. - Колко Btu се губят за един час през 114-инчов стъклен прозорец. дебел и 24 инча. x 48 инча на площта, ако външната температура е 30 ° F, а вътрешната температура е 72 ° F? Отговор: 9880 Btu

15. - Парче бронз с дебелина 0,01 m се излага на температура от 40 ° C от едната страна и 30 ° C от другата. Ако той предава 3,75 kcal за 5 минути през 5 cm площ, каква е топлопроводимостта на бронза? Отговор: 0,25 kcal/m $ s $ ° C

16. Електрическият хладилник е добре изолиран, с изключение на вратата, която е с дебелина 5 инча, широчина 2 фута и височина 4,5 фута. За да се поддържа средната температура в хладилника на 38 ° F, когато стайната температура е 85 ° F, двигателят работи за 10 минути и спира за 15 минути. Колко Btu на час премахвате от вътрешността на хладилника, докато двигателят работи? Средният коефициент на топлопроводимост на вратата е 0,2 Btu $ in/hr $ ft 2 $ ° F. Отговор: 53 Btu/h

17.- (a) ї Каква е топлинната загуба в W/m 2 през стъклен прозорец с дебелина 3,0 mm. ако външната температура е –5 ° C, а вътрешната температура е + 22 ° F.? (б) Ако е инсталиран екран, който има същата дебелина на стъклото, но е поставен с въздушна междина 7,5 cm между двата прозореца, каква ще бъде съответната топлинна загуба?

18 .- Пръчката с дължина 2 m е изградена от твърда стоманена сърцевина с диаметър 1 cm, заобиколена от медна обвивка, чийто външен диаметър е 2 cm. Външната повърхност на пръта е топлоизолирана: единият край се поддържа при 100 ° C, а другият при 0 ° C. а) Изчислете общия топлинен ток в бара. б) Каква фракция се транспортира от всяко вещество? Отговор: а) 1,13 кал/сек; б) за стомана: 4%, за мед: 96%

19. Да предположим, че топлопроводимостта на медта е два пъти по-голяма от тази на алуминия и четири пъти по-голяма от тази на месинга. Три метални пръта, направени съответно от мед, алуминий и месинг, са с по 6,0 инча. дълъг и 1,0 инча. диаметър, Тези пръти са поставени един до друг, алуминиевият между другите два. Свободните краища на медните и месинговите пръти се поддържат съответно на 100 ° C и 0 ° C. Намерете равновесните температури на кръстовището между мед и алуминий и на кръстовището между алуминий и месинг. Отговор: Cu-Al, 86 ° C; Al-месинг, 57 ° C.

20.- (а) Изчислете скоростта, с която телесната топлина излиза през дрехата на скиор, от следните данни. Повърхността на тялото му е 1,8 м 2, а дрехите са с дебелина 1,0 см; температурата на повърхността на кожата е 33 ° C, а на външната част на облеклото -5 ° C; топлопроводимостта на облеклото е 0,04 W/m $ ° K. (б) Как би се променил отговорът, ако след падане дрехите на скиора бяха напоени с вода?

21. - Топлината тече радиално навън през цилиндричен изолатор с външен радиус R2, който заобикаля парна тръба с вътрешен радиус R1, при което се гарантира, че H = 2 или Lk (t1-t2)/In (R2/R1). Температурата на вътрешната повърхност на изолатора е t, а на външната повърхност е t2. í На какво радиално разстояние от центъра на тръбата е температурата, средната аритметична стойност на t1 и t2?

22. - Готвач, след като се събуди един ден и открие, че измамата му не работи, решава да заври водата за кафето на жена си, като я разклаща в бутилка с термос. Да предположим, че използва половин литър вода при 28 ° C, водата пада 1,0 фута при всяко разклащане и готвачът извършва 30 разклащания всяка минута. Игнорирайки загубите на топлина, колко време трябва да се разклаща бутилката, за да заври водата?

23.- Определете стойността на механичния еквивалент на топлина J от следните данни: доставени са 2000 кал. към система. По време на доставката системата извършва външна работа от 3350 J; увеличението на вътрешната енергия по време на процеса е 5030 J. Отговор: 4,190 J/кал).

24. (а) Изчислете възможното повишаване на температурата на водата, падаща при Ниагарския водопад, която е висока 162 фута. (б) Какви фактори биха били склонни да предотвратят това възможно увеличение? Отговор: (а) 0. 121 ° С.

25. В експеримент с Джоул маса от 6,00 кг пада от височина 50,0 м и завърта гребло, което разбърква 0,600 кг вода. Първоначално водата е при 15.01 ° C. колко се повишава температурата?

26. Спортистът разсейва цялата енергия, осигурена от диета от 4000 kcal на ден. Ако трябва да отделяте такава енергия като топлина с еднаква скорост, как би се сравнил този изход на енергия от 100 W лампа? (Забележка: Хранителните калории всъщност са една килокалория, както сме го определили.) Отговор: 1.9 пъти по-висока.

27. Захранването се извършва със скорост от 0,40 к.с. за 2,0 минути за пробиване на отвор в меден блок от 1,0 lb. (а) Колко топлина се генерира? (б) Какво е повишаването на температурата на медта, ако само 75% от мощността се използва за нагряването й? (в) Какво се случва с останалите 25%?

28. 2,0 g оловен куршум, движещ се със скорост 200 m/s, се оказва вграден в 2,0 kg дървен блок, който е окачен като лещата на махало (наречено балистично махало). Изчислете повишаването на температурата на куршума, като приемете, че цялата погълната енергия увеличава температурата на куршума.

29 - Направена е термодинамична система, която да премине от първоначалното си състояние А в друго състояние В и обратно към А през състояние С, както е показано от пътя A BCA на PV диаграмата на фиг. (А) Попълнете таблицата на фиг. ( б) със знаците + или -, подходящи за индикациите на признаците на термодинамичните величини, свързани с всеки процес. (б) Изчислете числената стойност на работата, извършена от системата в пълен цикъл A-B-C-A.

крайната температура



30. - Когато система преминава от състояние i към състояние fa по пътя iaf на фигурата, се установява, че Q = 50 J и че W = -20 J. По пътя ibf, Q = 36 J a) Какво е стойността на W по пътя на ibf? б) Ако W = +13 J по кривата пътека назад fi, колко струва Q по този път? в) Помислете, че Ui = 10 J. Колко струва Uf d) Ако Ub = 22 кал, колко струва Q в процес ib?, йy в процес bf?


31. Фигурата показва цилиндър, който съдържа газ и е затворен от движещо се бутало. Цилиндърът е потопен в смес от лед и вода. Буталото бързо се избутва надолу от позиция (1) в позиция (2). Буталото се задържа в позиция (2), докато газът се върне при 0 "C и след това бавно се повдига, докато се върне в позиция (1). Фигурата е PV диаграма на този процес. Ако по време на цикъла се стопи 100 g от лед, колко работа е свършена по бензина? Отговор: 8000 кал.


32. Желязна топка се пуска върху бетонен под от височина 10 m. При първия отскок той се издига на височина от 0,50 m. Да предположим, че цялата макроскопична механична енергия, загубена при удар със земята, остава в топката. Специфичната топлина на желязото е 0,12 кал/g ° C. По време на сблъсъка (а) добавена ли е топлина към топката? (б) Работена ли е по нея? (в) Променила ли се е вашата вътрешна енергия? Ако да, колко? (г) С колко се е увеличила температурата на топката след първия сблъсък? Отговор: (а) Не. (б) Да. (в) Да, при + 93 J/kg. (d) 0,20 ° С.

33. - Газ, затворен в камера, преминава през цикъла, показан на фигурата. Определете топлината, добавена към газа по време на процеса CA sн QAB = 20 J, QBC = 0 и WBCA = - 15 J.

34. - Машината носи 1,00 мола идеален едноатомен газ около цикъла, показан на фигурата. AB процесът протича при постоянен обем, BC процесът е адиабатен, а CA процесът се извършва при постоянно налягане. (а) Изчислете топлината Q, промяната във вътрешната енергия AU и работата W за всеки от трите процеса и за цикъла като цяло. (б) Ако първоначалното налягане в точка А е 1,00 атм, намерете налягането и обема в точки В и С. Използвайте 1 атм = 1,0 13 $ 105 Pa и R = 8,314 J/mol $ ° K.