3. Να διατυπώσετε τον νόμο της ισόχωρης μεταβολής, να αναφέρετε τις. οποία επιβεβαιώνεται πειραματικά. Ακόμη να κάνετε τη γραφική της παράσταση σε

Transcript

1 1 ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ Καθηγητής : εώργιος Δανιήλ Πλαϊνάκης ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1. Να διατυπώσετε τον νόμο του Boyle, να αναφέρετε τις προϋποθέσεις κάτω από τις οποίες ισχύει και να περιγράψετε τη διάταξη με την οποία επιβεβαιώνεται πειραματικά. Ακόμη να κάνετε τη γραφική παράσταση της ισόθερμης μεταβολής σε διάγραμμα με άξονες -, - T, - T. 2. Να διατυπώσετε τον νόμο της ισοβαρούς μεταβολής, να αναφέρετε τις προϋποθέσεις κάτω από τις οποίες ισχύει και να περιγράψετε τη διάταξη με την οποία επιβεβαιώνεται πειραματικά. Ακόμη να κάνετε τη γραφική παράστασή της σε διάγραμμα με άξονες -, - T, - T. 3. Να διατυπώσετε τον νόμο της ισόχωρης μεταβολής, να αναφέρετε τις προϋποθέσεις κάτω από τις οποίες ισχύει και να περιγράψετε τη διάταξη με την οποία επιβεβαιώνεται πειραματικά. Ακόμη να κάνετε τη γραφική της παράσταση σε διάγραμμα με άξονες -, - T, - T. 4. Να γράψετε τους τύπους που ισχύουν στην αδιαβατική μεταβολή και κάνετε τη γραφική της παράσταση σε διάγραμμα με άξονες -, - T, - T. 5. Να γράψετε την καταστατική εξίσωση του ιδανικού αερίου, να ονομάσετε τα μεγέθη και να αναφέρετε τις μονάδες τους, στο διεθνές σύστημα. 6. Να ορίσετε το θερμοδυναμικό σύστημα και το περιβάλλον του. Πότε ένα σύστημα λέγεται κλειστό και πότε ανοικτό ; Τι ονομάζεται μαζα ελέγχου και τι όγκος ελέγχου ; Να γράψετε τους τύπους του 1 ου θερμοδυναμικού νόμου έτσι όπως εφαρμόζεται σε κάθε ένα είδος και να χαρακτηρίσετε κάθε όρο που υπάρχει στους τύπους. 7. Τι ονομάζεται μηχανική, δυναμική, κινητική, εσωτερική ενέργεια ; 8. Τι ονομάζονται εντατικές και τι εκτατικές ιδιότητες ενός συστήματος ; 9. Τι ονομάζεται αντιστρεπτή μεταβολή και τι μη αντιστρεπτή ; 10. Πότε λέμε ότι ένα σύστημα βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας ; 11. Σε κατακόρυφο κύλινδρο με έμβολο, που περιέχει αέριο, ποια είναι η πίεση του αερίου ; 12. Να εξηγήσετε γιατί ένας ποδηλάτης χρειάζεται πρόσθετη ισχύ για να ανεβαίνει ανηφορικό δρόμο, και γιατί στην κατηφόρα αυξάνεται η ταχύτητά του χωρίς προσπάθεια. 13. Ένα κουτί παγωτό που το τοποθετούμε στο ψυγείο για να κρυώσει τι σύστημα είναι ; Να δικαιολογήσετε. 14. Μέσα σε θερμικά μονωμένη κουζίνα τοποθετούμε ψυγείο, το βάζουμε στην πρίζα και αφήνουμε την πόρτα του ανοικτή. Να εξηγήσετε πως θα μεταβληθεί η θερμοκρασία του δωματίου μετά από λίγες ώρες λειτουργίας. 15. Στο διπλανό σχήμα να υπολογίσετε την απόλυτη πίεση του δοχείου. Στο σωλήνα του μανομέτρου υπάρχει λάδι με πυκνότητα ρ = 960 kg/m 3, η ατμοσφαιρική πίεση είναι 98 ka και η διαφορά ύψους του λαδιού είναι 50 cm.

2 2 16. Να ορίσετε το έργο που παράγει ένα αέριο με μεταβολή του όγκου του, να αποδείξετε τον τύπο του και να το χαρακτηρίσετε. 17. Σε ένα διάγραμμα Ρ- πώς παριστάνεται το έργο ενός αερίου και με ποια προϋπόθεση; 18. Τι ονομάζεται θερμότητα και ποια η διαφορά της με τη θερμοκρασία; 19. Τι ονομάζουμε εσωτερική ενέργεια ενός σώματος ; Να αναφέρετε μια χαρακτηριστική ιδιότητά της. 20. Να διατυπώσετε τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο και να περιγράψετε ένα μηχανικό του ισοδύναμο. 21. Να ορίσετε τι λέγεται ισόθερμη αντιστρεπτή μεταβολή, να την παραστήσετε 22. Να ορίσετε τι λέγεται ισόχωρη αντιστρεπτή μεταβολή, να την παραστήσετε 23. Να ορίσετε τι λέγεται ισοβαρής αντιστρεπτή μεταβολή, να την παραστήσετε 24. Να ορίσετε τι λέγεται αδιαβατική αντιστρεπτή μεταβολή, να την παραστήσετε 25. Να ορίσετε τι λέγεται κυκλική αντιστρεπτή μεταβολή, να την παραστήσετε 26. Τι ονομάζουμε ειδική θερμότητα ή ειδική θερμοχωρητικότητα αερίου υπό σταθερό όγκο και τι ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση ; 27. Να περιγράψετε τη θέρμανση ενός αερίου με σταθερό όγκο,να εφαρμόσετε τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο και να εξάγετε τους αντίστοιχους τύπους. 28. Να περιγράψετε τη θέρμανση ενός αερίου με σταθερή πίεση,να εφαρμόσετε τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο και να εξάγετε τους αντίστοιχους τύπους.

3 3 29. Να εκφράσετε την ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση και την αντίστοιχη υπό σταθερό όγκο σε συνάρτηση με τη σταθερή του αερίου και να υπολογίσετε το λόγο τους. Τι τιμές μπορεί να παίρνει ; 30. Τι ονομάζουμε θερμική μηχανή; Δώστε παράδειγμα κάνοντας και το σχετικό σκαρίφημα. Τι είδους μεταβολές και γιατί πρέπει να εκτελεί μια θερμική μηχανή; 31. Να περιγράψετε τον κύκλο μιας θερμικής μηχανής και να ορίσετε τον συντελεστή απόδοσης, γράφοντας και τον τύπο του. 32. Να διατυπώσετε τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο με δύο τρόπους και να τους σχολιάσετε. 33. Να διατυπώσετε το συμπέρασμα(θεώρημα ή αξίωμα) του Carnot σχετικά με την απόδοση μιας θερμικής μηχανής. 34. Να περιγράψετε τον κύκλο που επινόησε ο Carnot και να αποδείξετε τον τύπο που δίνει το συντελεστή απόδοσής του. 35. Ορισμένη ποσότητα ιδανικού αερίου έχει πίεση 1 = 4*10 5 N/m 2, όγκο 1 = 2*10-3 m 3 και θερμοκρασία Τ 1 = 200 Κ και εκτελεί τις παρακάτω διαδοχικές μεταβολές: α) ισοβαρή εκτόνωση σε όγκο 2 = 2 1 β) ισόθερμη εκτόνωση σε όγκο 3 = 2 2 γ) ισόχωρη ψύξη σε 4 = 10 5 N/m 2 και δ) ισόθερμη συμπίεση σε 5 = 1. α) Να βρείτε τα μεγέθη,, T σε κάθε κατάσταση και β) Να κάνετε το διάγραμμα. γ) Να εξετάσετε εάν η μεταβολή είναι κυκλική. 36. Με βάση το διπλανό διάγραμμα για τη μεταβολή ΑΒΑ να κάνετε τα διαγράμματα : Α) T Β) T Β Α T 1 T Θερμικά μονωμένο δοχείο χωρίζεται με λεπτό αδιαβατικό διάφραγμα σε δύο διαμερίσματα όπου υπάρχουν δύο ποσότητες του ίδιου αερίου σε συνθήκες 1, 1, T 1 και 2, 2, T 2. Αφαιρούμε το διάφραγμα. Να βρείτε τις τελικές πίεση και θερμοκρασία T. 38. Θερμικά μονωμένο κυλινδρικό δοχείο χωρίζεται με λεπτό αγώγιμο διάφραγμα, που μπορεί να κινείται χωρίς τριβές, σε δύο διαμερίσματα όπου υπάρχει το ίδιο ιδανικό αέριο. Στο διαμέρισμα Α οι συνθήκες είναι 1 = 2 0, 1 = 0, T 1 = T 0 και στο διαμέρισμα Β είναι 2 = 0, 2 = 3 0, T 2 = T 0. Εάν αφήσουμε το διάφραγμα ελεύθερο να κινηθεί και να ισορροπήσει να βρείτε τις τελικές τιμές της πίεσης, του όγκου και της θερμοκρασίας σε κάθε διαμέρισμα χωριστά.

4 4 39. Θερμική μηχανή χρησιμοποιεί ιδανικό αέριο, το οποίο σε ένα κύκλο εκτελεί τις παρακάτω διαδοχικές μεταβολές: α) ισόχωρη θέρμανση από Τ σε 2Τ β) ισοβαρή θέρμανση από 2Τ σε 4Τ γ) ) ισόχωρη ψύξη από 4Τ σε 2Τ και δ) ισοβαρή ψύξη από 2Τ σε Τ. Να βρείτε το συντελεστή απόδοσης της μηχανής. Δίνεται c = 3R/ Ιδανικό αέριο εκτελεί την κυκλική μεταβολή του σχήματος α) Να δείξετε ότι U A = U β) Να βρείτε το συνολικό έργο συναρτήσει των 0, 0. γ) Να συγκρίνετε το Q ΑB με το Q ΔΑ. Δίνεται c p / c v = 5/ Α Β 0 Δ Κατακόρυφο κυλινδρικό δοχείο με αβαρές καπάκι-έμβολο, όλα θερμομονωτικά, με εμβαδόν διατομής S = 20 cm 2 και ύψος h = 20 cm, περιέχει ιδανικό αέριο σε ισορροπία. Τοποθετούμε στο έμβολο βάρος Β = 400 Ν οπότε το έμβολο κατεβαίνει και ισορροπεί σε ύψος cm. Να βρείτε το λόγο c p / c v. 3 Δίνεται η ατμοσφαιρική πίεση 0 = 10 5 N/m Να συγκρίνετε με τη βοήθεια του διαγράμματος το έργο κατά την αδιαβατική με το έργο κατά την ισόθερμη μεταβολή ιδανικού αερίου από τον ίδιο αρχικό όγκο στον ίδιο τελικό όγκο, σε κάθε μια από τις παρακάτω περιπτώσεις : α) εκτόνωση β) συμπίεση. 43. Ιδανικό αέριο βρίσκεται μέσα σε οριζόντιο κυλινδρικό δοχείο με έμβολο, σε συνθήκες 0, 0, T 0. Ασκούμε στο έμβολο δύναμη, που το μέτρο της είναι ανάλογο με τη μετατόπιση με αποτέλεσμα η πίεση του αερίου να 4πλασιασθεί και ο όγκος του να υποδιπλασιασθεί και η θερμότητα που το αέριο έδωσε στο περιβάλλον να είναι Q = 0 * 0 /4 Να βρείτε : α) Τη μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του αερίου β) Την τελική του θερμοκρασία. 44. Ένα ιδανικό αέριο εκτονώνεται.να βρείτε εάν η θερμοκρασία του αερίου αυξάνεται ή ελαττώνεται εάν : α) ισχύει ο νόμος * 2 = σταθερό β) ισχύει ο νόμος 2 * = σταθερό. 45. Ένας σπουδαστής υποστηρίζει ότι υπάρχει θερμική μηχανή που εργάζεται μεταξύ των θερμοκρασιών Τ 1 = 600 Κ και Τ 2 = 300 Κ και το εργαζόμενο μέσο απορροφεί από την θερμή δεξαμενή 1000 J και παράγει έργο 520 J. Να απαντήσετε με αιτιολόγηση εάν ο ισχυρισμός αυτός είναι ορθός.

5 5 46. Δύο μηχανές Καρνό εργάζονται σε σειρά. Η πρώτη σε υψηλή θερμοκρασία Τ 1 απορροφεί θερμότητα Q 1 και αποδίδει στην ψυχρή δεξαμενή Τ 2 θερμότητα Q 2. Η δεύτερη μηχανή απορροφεί τη θερμότητα Q 2 από την πρώτη και αποδίδει στην ψυχρή δεξαμενή Τ 3 θερμότητα Q 3.Να δείξετε ότι ο συνολικός συντελεστής απόδοσης του συστήματος είναι ίσος προς α = 1 Τ 3 / Τ 1. Β 47. Να βρείτε το συντελεστή απόδοσης της θερμικής μηχανής, στην οποία το αέριο εκτελεί τον κύκλο του διπλανού σχήματος. 2 1 Α Αδιαβατική 1 2 Β 48. Να βρείτε το συντελεστή απόδοσης της θερμικής μηχανής, στην οποία το αέριο εκτελεί τον κύκλο του διπλανού σχήματος Α Τι ονομάζεται συμπιεσμένο ή υπόψυκτο υγρό, κορεσμένο υγρό, κορεσμένος ατμός, υπέρθερμος ατμός ; 50. Τι ονομάζεται θερμοκρασία κορεσμού και τι πίεση κορεσμού ; 51. Να σχεδιάσετε το διάγραμμα αλλαγής των φάσεων και σε άξονες, υ για την περίπτωση των ισοβαρών διεργασιών μιας καθαρής ουσίας και σε άξονες Τ, υ για την περίπτωση των ισόθερμων διεργασιών και να ορίσετε το κρίσιμο σημείο. Τι ακριβώς συμβαίνει όταν η ουσία «περνάει» από το κρίσιμο σημείο ; 52. Τι ονομάζεται ενθαλπία ; και τι ειδική ενθαλπία ; 53. Στη χύτρα ταχύτητας τι θερμοκρασία έχει ο υδρατμός ; Να δικαιολογήσετε.

6 6 54. Σε ποια περίπου θερμοκρασία βράζει το νερό σε περιοχή που βρίσκεται σε βουνό ; Να δικαιολογήσετε. 55. Τι ονομάζεται ποιότητα ατμού και γιατί ; 56. Διαθέτουμε θερμότητα 500 Joule. Έχει σημασία σε ποια θερμοκρασία τα έχουμε ; Εξηγήστε. 57. νωρίζοντας τη θερμοκρασία και την πίεση μιας ποσότητας υδρατμού μπορούμε να βρούμε εάν ο υδρατμός είναι κορεσμένος ή υπέρθερμος ; Να εξηγήσετε αναλυτικά. 58. νωρίζοντας τον ειδικό όγκο και την πίεση μιας ποσότητας υδρατμού μπορούμε να βρούμε εάν ο υδρατμός είναι κορεσμένος ή υπέρθερμος ; Να εξηγήσετε αναλυτικά. 59. Τι είναι τα μεγέθη υ f, υ g, υ fg, s f, s g, s fg, h f, h g, h fg για τον υδρατμό ; 60. Με τη βοήθεια των θερμοδυναμικών νόμων, κάνοντας χρήση της μεθόδου απαγωγής σε άτοπο να αποδείξετε ότι οι καμπύλες που εκφράζουν τις αδιαβατικές μεταβολές του ίδιου αερίου, σε διάγραμμα δεν τέμνονται. 61. Να περιγράψετε ποιοτικά πως λειτουργεί και τι κάνει από πλευράς ανταλλαγής ενέργειας το ψυγείο της κουζίνας του σπιτιού μας. Να χαρακτηρίσετε κάθε ενέργεια χωριστά σαν ωφέλιμη, δαπανώμενη, κ.λ.π. και να ορίσετε με δική σας εκτίμηση, σκεπτόμενοι κυρίως το σκοπό της συσκευής, το συντελεστή απόδοσης. 62. Σε μια θερμική μηχανή να αναφέρετε τους τρόπους με τους οποίους μπορούμε να υπολογίσουμε το έργο ( ωφέλιμο μηχανικό έργο ) σε ένα κύκλο. 63. Στην ισόθερμη μεταβολή, σε ποιο συμπέρασμα καταλήγουμε με την εφαρμογή του 1 ου θερμοδυναμικού νόμου ; Το συμπέρασμα αυτό έρχεται σε αντίθεση με το δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο ; Να εξηγήσετε αναλυτικά. 64. Σε μία εγκατάσταση ατμού, στην πράξη, συνήθως το σύστημα το θεωρούμε κλειστό. Είναι αυτό απόλυτα ορθό ; Εξηγήστε. 65. Σε μία μηχανή εσωτερικής καύσης, στην πράξη, συνήθως το σύστημα το θεωρούμε κλειστό. Είναι αυτό απόλυτα ορθό ; Εξηγήστε. 66. Εάν ορίζαμε το θερμικό βαθμό απόδοσης ως το πηλίκο της σκόπιμης ( επιθυμητής ) εξόδου μιας μηχανής προς την απαιτούμενη είσοδο, θα κάναμε σωστά ή λάθος ; Εξηγήστε. 67. Κάθε αδιαβατική μεταβολή ενός αερίου είναι και ισεντροπική ; Εξηγήστε. 68. Μπορεί μια μηχανή να «καίει» νερό ή διοξείδιο του άνθρακα ; Εξηγήστε. 69. Τι σημαίνει δεξαμενή θερμότητας ; Να εξηγήσετε τον τρόπο με τον οποίο μία τέτοια δεξαμενή διατηρεί τη θερμοκρασία της, διακρίνοντας δύο περιπτώσεις. 70. ιατί ο αέρας που φυσάμε με το στόμα μας είναι άλλοτε ζεστός και άλλοτε κρύος ;