Zadania z fizyki. Studia zaoczne.
3. Termodynamika.
Zadanie 3.1. Do szklanki z 200 gramami wody wrzucono dwie 50 gramowe kostki lodu. Jaka jest temperatura końcowa napoju, jeśli woda miała początkowo temperaturę 25oC, a lód pochodził prosto z lodówki, w której jest temperatura -150C? Ciepło właściwe lodu w tym obszarze temperatur wynosi ok. 0.5 cal/g*K, a ciepło topnienia lodu ok. 80 cal/g.
Zadanie 3.2. Jaką prędkość powinien posiadać pocisk ołowiany, aby się stopił w wyniku uderzenia o skałę, jeżeli w chwili uderzenia miał temperaturę t0=30 0C (ciepło właściwe ołowiu c=130 J/kgK, ciepło topnienia l=0.2*105 J/kg, a temperatura topnienia tt=330 0C)?
Zadanie 3.3. Znaleźć masę dwutlenku siarki (SO2) zajmującego objętość 25 l w temperaturze 27 0C i pod ciśnieniem 760 mm Hg.
Zadanie 3.4. Azot w ilości 5 g i w temperaturze 20 0C znajduje się w zamkniętym naczyniu o objętości 4 l; zostaje on następnie ogrzany do temperatury 40 0C. Znaleźć ciśnienie gazu przed nagrzewaniem i po ogrzaniu.
Zadanie 3.5. Jeden mol gazu doskonałego rozpręża się izotermicznie. Obliczyć ciepło pobierane przez gaz z otoczenia, wyrażając je przez początkową i końcową objętość gazu oraz temperaturę.
Zadanie 3.6. Podgrzano 10 g tlenu pod stałym ciśnieniem atmosferycznym od 27 do 127 stopni Celsjusza. (a) Ile ciepła przekazano do tlenu? (b) Jaka część tego ciepła została zużyta na zwiększenie energii wewnętrznej tlenu?
Zadanie 3.7. Gaz doskonały o objętości 2 l i temperaturze 27 0 C znajduje się pod ciśnieniem 105 Pa. Gaz rozprężając się izobarycznie wykonał pracę 80 J. Oblicz: (a) do jakiej objętości rozprężył się gaz, (b) o ile stopni zmieniła się temperatura gazu.
Zadanie 3.8. Masę m azotu o temperaturze T1 sprężono izochorycznie od ciśnienia p1 do p2. Oblicz zmianę energii wewnętrznej ΔU tego gazu. Dane są: stała gazowa, masa cząsteczkowa azotu oraz ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu.
Zadanie 3.9. Wodór o masie m=6.5 g i temperaturze 300 K rozszerza się izobarycznie, na skutek dopływu ciepła, do objętości 2-krotnie większej niż początkowa. Obliczyć pracę wykonywaną przez wodór.
Zadanie 3.10. Gaz doskonały rozprężając się izobarycznie wykonuje pracę 600 J. Oblicz ilość ciepła, którą pobiera gaz, jeżeli stosunek ciepła właściwego gazu pod stałym ciśnieniem do ciepła właściwego w stałej objętości wynosi 1.4.
Zadanie 3.11. Tlen w ilości 10 g pozostaje w warunkach normalnych i zostaje sprężony do objętości 1.4*10-3 m3. Znaleźć ciśnienie i temperaturę tlenu po sprężaniu, jeśli jest on sprężany: (a) izotermicznie, (b) adiabatycznie. Znaleźć pracę sprężania w każdym z przypadków.
Zadanie 3.12. Doskonały silnik cieplny pracuje według cyklu Carnota. Określić sprawność cyklu, jeśli podczas obiegu jednego cyklu zostaje wykonana praca 300 kGm, a chłodnica otrzymuje 3.2 kcal.
Zadanie 3.13. Doskonały silnik cieplny, pracujący według cyklu Carnota, wykonuje podczas jednego cyklu pracę 7.35*104 J. Temperatura grzejnika wynosi 100 0C, a temperatura chłodnicy 0 0C. Znaleźć: (a) sprawność silnika, (b) ilość ciepła pobranego przez silnik od grzejnika podczas jednego cyklu, (c) ilość ciepła oddanego chłodnicy podczas obiegu jednego cyklu.
Zadanie 3.14. Gaz doskonały w ilości jednego kilomola wykonuje cykl złożony z dwóch izochor i dwóch izobar, przy czym objętość gazu wzrasta od V1=25 m3 do V2=50 m3, a ciśnienie wzrasta od p1=1 atm do p2=2 atm. Ile razy praca wykonana podczas takiego cyklu jest mniejsza od pracy wykonanej w cyklu Carnota, w którym izotermy odpowiadają najwyższej i najniższej temperaturze rozpatrywanego cyklu, jeżeli podczas rozprężania izotermicznego objętość wzrasta dwukrotnie.
Zadanie 3.15. Doskonała chłodziarka pracuje według odwrotnego cyklu Carnota, wykonując podczas jednego cyklu pracę równą 3.7*104 J. Pobiera ona przy tym ciepło od ciała o temperaturze - 10 0C i oddaje ciepło ciału o temperaturze + 17 0C. Wyliczyć: (a) sprawność cyklu, (b) ilość ciepła odebraną chłodzonemu ciału podczas jednego cyklu, (c) ilość ciepła oddaną ogrzewanemu ciału w przebiegu jednego cyklu.
Zadanie 3.16. Silnik parowy o mocy 15 kW w ciągu 1 h pracy zużywa 8 kg węgla o cieple spalania 3.3*107 J/kg. Temperatura kotła wynosi 200 0C, a temperatura chłodnicy 58 0C. Znaleźć rzeczywistą sprawność silnika i porównać ją ze sprawnością doskonałego silnika cieplnego, pracującego wg cyklu Carnota w tym samym przedziale temperatur.
Zadanie 3.17. Znaleźć zmianę entropii przy topnieniu 1 kg lodu o temperaturze 0 0C.
Zadanie 3.18. Znaleźć zmianę entropii przy izobarycznym rozszerzaniu 8 g helu od objętości V1=10 l do objętości V2=25 l.
Zadanie 3.19. Azot w ilości 10 g rozpręża się izotermicznie od objętości V1=2 l do objętości V2=5 l. Obliczyć przyrost entropii w tym procesie.
Zadanie 3.20. Tlen w ilości 10 g zostaje ogrzany od t1=50 0C do t2=150 0C. Znaleźć zmianę entropii, jeśli ogrzewanie następuje: (a) izochorycznie, (b) izobarycznie.