Termodinamika – probleme en oplossings
Die eerste wet van termodinamika
1. Gebaseer op die PV-grafiek hieronder, wat is die verhouding van die werk wat deur die gas in proses I gedoen word, tot die werk wat deur die gas in proses II gedoen word?
Bekend:
Proses 1:
Druk (P) = 20 N/m2
Aanvanklike volume (V1) = 10 liter = 10 dm3 = 10 x 10-3 m3
Finale volume (V2) = 40 liter = 40 dm3 = 40 x 10-3 m3
Proses 2:
Proses (P) = 15 N/m2
Aanvanklike volume (V1) = 20 liter = 20 dm3 = 20 x 10-3 m3
Finale volume (V2) = 60 liter = 60 dm3 = 60 x 10-3 m3
Gesoek: Die verhouding van die werk wat deur gas verrig word
oplossing:
Die werk wat deur gas in proses I verrig word:
W = P ΔV = P (V2-V1) = (20)(40-10)(10-3 m3) = (20)(30)(10-3 m3) = (600)(10-3 m3) = 0.6 m3
Die werk wat deur gas in proses II verrig word:
W = P ΔV = P (V2-V1) = (15)(60-20)(10-3 m3) = (15)(40)(10-3 m3) = (600)(10-3 m3) = 0.6 m3
Die verhouding van die werk wat deur gas in proses I en proses II verrig word:
0.6 m3 : 0.6 m3
1: 1
2.
Gebaseer op die grafiek hieronder, wat is die werk wat deur heliumgas in proses AB verrig word?
Bekend:
Druk (P) = 2 x 105 N / m2 = 2 x 105 Pascal
Aanvanklike volume (V1) = 5cm3 = 5 x 10-6 m3
Finale volume (V2) = 15cm3 = 15 x 10-6 m3
Gesoek: Werk verrig deur gas in proses AB
oplossing:
W = ∆P ∆V
W = P (V2 - V1)
W = (2 x 105)(15 x 10-6 - 5 x 10-6)
W = (2 x 105)(10 x 10-6) = (2 x 105)(1 x 10-5)
W = 2 Joule
3.
Gebaseer op die grafiek hieronder, wat is die arbeid wat in proses AB verrig word?
Bekend:
Aanvanklike druk (P1) = 4 Pa = 4 N/m2
Finale druk (P2) = 6 Pa = 6 N/m2
Aanvanklike volume (V1) = 2 m3
Finale volume (V2) = 4 m3
Gesoek: werk gedoen Ek verwerk ab
oplossing:
Werk verrig deur gas = area onder kromme ab
W = oppervlakte van driehoek + oppervlakte van reghoek
W = ½ (6-4)(4-2) + 4(4-2)
W = ½ (2)(2) + 4(2)
W = 2 + 8
W = 10 Joule
4. Gebaseer op die grafiek hieronder, wat is die werk wat in proses ABCA verrig word?
oplossing:
Werk (W) = Oppervlakte van driehoek ABC
W = ½ (20-10)(6 x 105 - 2 x 105)
W = ½ (10)(4 x 105)
W = (5)(4 x 105)
B = 20 x 105
B = 2 x 106 Joule
5. 'n Enjin absorbeer 2000 Joule hitte teen 'n hoë temperatuur en gee 1200 Joule hitte teen 'n lae temperatuur af. Wat is die doeltreffendheid van die enjin?
Bekend:
Hitte-invoer (QH) = 2000 Joule
Hitte-uitset (QL) = 1200 Joule
Arbeid verrig deur enjin (W) = 2000 – 1200 = 800 Joule
Gesoek: doeltreffendheid (e)
oplossing:
e = W / QH
e = 800/2000
e = 0.4 x 100%
e = 40%
6. 'n Enjin absorbeer hitte teen 960 Kelvin en die enjin gee hitte af teen 576 Kelvin. Wat is die doeltreffendheid van die enjin?
Bekend:
Hoë temperatuur (TH) = 960 K
Lae temperatuur (TL) = 576 K
Gesoek: doeltreffendheid (e)
oplossing:
Doeltreffendheid van Carnot-enjin = 0.4 x 100% = 40%
7. Gebaseer op die grafiek hieronder, is die arbeid wat deur die enjin verrig word 6000 Joule. Wat is die hitte wat deur die enjin in elke sirkel vrygestel word?
Bekend:
Arbeid (W) = 6000 Joule
Hoë temperatuur (TH) = 800 Kelvin
Lae temperatuur (TL) = 300 Kelvin
Gesoek: hitte wat deur die enjin vrygestel word
Oplossing :
Carnot (ideale) doeltreffendheid:
Hitte geabsorbeer deur Carnot-enjin:
W = e Q1
6000 = (0.625) Q1
Q1 = 6000/0.625
Q1 = 9600
Hitte vrygestel deur Carnot-enjin:
Q2 =Q1 - W
Q2 = 9600 6000 – XNUMX XNUMX
Q2 = 3600 Joule
8. Die doeltreffendheid van 'n Carnot-enjin is 40%. As hitte by 727°C geabsorbeer word, wat is dan die lae temperatuur?
Bekend:
Doeltreffendheid (e) = 40% = 40/100 = 0.4
Hoë temperatuur (TH) = 727oC + 273 = 1000 K
Gesoek: Lae temperatuur
oplossing:
TL = 600 Kelvin – 273 = 327oC
9. Gebaseer op die grafiek hieronder, as die enjin 800 J hitte absorbeer, wat is die arbeid wat deur die enjin verrig word?
Bekend:
Hoë temperatuur (TH) = 600 Kelvin
Lae temperatuur (TL) = 250 Kelvin
Hitte-invoer (Q1) = 800 Joule
Gesoek: Werk (W)
oplossing:
Die doeltreffendheid van die Carnot-enjin:
Werk is deur die enjin gedoen:
W = e Q1
W = (7/12)(800 Joule)
W = 466.7 Joule
10. Die hoogste temperatuur van 'n Carnot-enjin is 600 K. As die enjin 600 J hitte absorbeer en die laagste temperatuur 400 K is, wat is die arbeid wat deur die enjin verrig word?
Bekend:
Lae temperatuur (TL) = 400 K
Hoë temperatuur (TH) = 600 K
Hitte-invoer (Q1) = 600 Joule
Gesoek: Werk is gedoen deur Carnot-enjin (W)
oplossing:
Die doeltreffendheid van die Carnot-enjin:
Werk is gedoen deur Carnot-enjin:
W = e Q1
W = (1/3)(600) = 200 Joule
- Wat is die primêre fokus van termodinamika? BeantwoordTermodinamika fokus op die studie van energie, die transformasies daarvan en die verhouding daarvan met materie, veral in stelsels in ewewig.
- Hoe hou die nulde wet van termodinamika verband met temperatuur? BeantwoordDie nulde wet bepaal dat as twee stelsels elk in termiese ewewig met 'n derde stelsel is, dan is hulle in termiese ewewig met mekaar. Dit impliseer die bestaan van 'n eienskap genaamd temperatuur, wat dieselfde is vir alle stelsels in termiese ewewig.
- Wat beskryf die eerste wet van termodinamika? BeantwoordDie eerste wet, ook bekend as die wet van energiebehoud, bepaal dat energie nie geskep of vernietig kan word nie, maar slegs van een vorm na 'n ander omgeskakel kan word. In 'n geslote stelsel is die verandering in interne energie gelyk aan die hitte wat by die stelsel gevoeg word minus die werk wat deur die stelsel op sy omgewing verrig word.
- Waarom is die tweede wet van termodinamika noodsaaklik om die rigting van natuurlike prosesse te verstaan? BeantwoordDie tweede wet bepaal dat die entropie (of wanorde) van 'n geïsoleerde stelsel altyd toeneem of konstant bly. Dit bepaal dat energie spontaan versprei indien dit nie verhinder word om dit te doen nie, wat 'n rigting aan natuurlike prosesse gee en in wese verduidelik waarom sekere prosesse spontaan plaasvind terwyl ander nie.
- Wat is entropie, en hoe hou dit verband met wanorde in 'n stelsel? BeantwoordEntropie is 'n maatstaf van die hoeveelheid energie in 'n stelsel wat nie beskikbaar is om werk te verrig nie. Dit word ook dikwels beskryf as 'n maatstaf van die stelsel se wanorde of ewekansigheid. Oor die algemeen stem hoër entropie ooreen met groter wanorde of ewekansigheid.
- Hoe beskryf die derde wet van termodinamika die entropie van 'n perfekte kristal by absolute nul? BeantwoordDie derde wet bepaal dat die entropie van 'n perfekte kristal presies nul is by absolute nul temperatuur (0 Kelvin). Dit beteken dat die stelsel by hierdie temperatuur perfek georden is.
- Waarom kan hitte nie op sy eie van 'n kouer liggaam na 'n warmer liggaam vloei nie? BeantwoordHierdie gedrag is 'n gevolg van die tweede wet van termodinamika. As hitte spontaan van 'n kouer liggaam na 'n warmer een sou vloei, sou dit lei tot 'n afname in die algehele entropie van die stelsel, wat nie deur natuurlike prosesse bevoordeel word nie.
- Wat is die verskil tussen 'n geïsoleerde, geslote en oop stelsel in termodinamika? Beantwoord'n Geïsoleerde stelsel ruil nie energie of materie met sy omgewing uit nie. 'n Geslote stelsel kan energie uitruil, maar dit maak nie saak met sy omgewing nie. 'n Oop stelsel kan beide energie en materie met sy omgewing uitruil.
- Hoe verskil die konsep van "werk" in termodinamika van die alledaagse gebruik van die term? BeantwoordIn termodinamika verwys "werk" na die proses van energie-oordrag waar kragte wat op 'n voorwerp toegepas word, dit in 'n rigting parallel met die krag beweeg. Byvoorbeeld, wanneer 'n gas teen 'n suier uitsit, verrig dit werk op die suier. Dit is 'n meer spesifieke definisie in vergelyking met die alledaagse gebruik van "werk", wat eenvoudig enige taak of aktiwiteit kan beteken.
-
Wat is 'n Carnot-siklus, en waarom is dit belangrik in termodinamika? BeantwoordDie Carnot-siklus is 'n geïdealiseerde termodinamiese siklus wat 'n boonste grens bied aan die doeltreffendheid wat enige klassieke termodinamiese enjin kan bereik tydens die omskakeling van hitte na werk (of andersom). Dit is betekenisvol omdat dit 'n fundamentele doeltreffendheidsgrens stel gebaseer op die temperature van die hittereservoirs waartussen 'n enjin werk.
