Κριτήριο Αξιολόγησης - 26 Ερωτήσεις Θεωρίας Κεφ. 4 ο ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ - ΦΥΣΙΚΗ Ομάδας Προσανατολισμού Θετικών Σπουδών Β Λυκείου επιμέλεια ύλης: Γ.Φ.Σ ι ώ ρ η ς ΦΥΣΙΚΟΣ 1. Σε μια αδιαβατική εκτόνωση ενός ιδανικού αερίου ισχύει: α) W=0 β) Q>0 γ) ΔU>0 δ) Q=0. 2. Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν με το γράμμα Σ, αν είναι σωστές, και με το γράμμα Λ αν είναι λανθασμένες. α) Ο 1 ος Θερμοδυναμικός Νόμος εκφράζει την ΑΔΜΕ. Σ Λ β) Ένα αέριο μπορεί να απορροφά θερμότητα και να μην αυξάνεται η θερμοκρασία του. Σ Λ γ) Η εσωτερική ενέργεια ενός αερίου είναι ανάλογη της απόλυτης θερμοκρασίας του. Σ Λ δ) Η καταστατική εξίσωση ισχύει μόνο στα μονατομικά αέρια. Σ Λ ε) Στα στερεά και τα υγρά, η ειδική θερμότητα εξαρτάται μόνο από το υλικό τους. Στα αέρια η γραμμομοριακή ειδική θερμότητα εξαρτάται κάθε φορά από τον τρόπο με τον οποίο θερμαίνεται το αέριο. Σ Λ 3. Μια μηχανή Carnot λειτουργεί ανάμεσα σε δύο ακραίες θερμοκρασίες μια ψυχρή T c και μια θερμή Τ h και ο συντελεστής απόδοσης της μηχανής είναι e 1. Αν τετραπλασιάσουμε τη θερμοκρασία της θερμής δεξαμενής (Τ h =4Τ h ) χωρίς να πειράξουμε καθόλου τη θερμοκρασία της ψυχρής δεξαμενής τότε η απόδοση της ίδιας μηχανής Carnot ισούται με e 2. Η σχέση που συνδέει του δύο συντελεστές απόδοσης είναι: α) e 2 e1 + 3 = 4 β) e 2 3 e = 4 1 γ) e 1 = e + 4 2 1 Επιλέξτε τη σωστή απάντηση. 1 www.perignoseos.edu.gr
4. Ορισμένη ποσότητα ιδανικού μονατομικού αερίου με n=6/r βρίσκεται στην κατάσταση Α με πίεση P A =6 10 5 N/m 2 και όγκο V Α =2 10-3 m 3 και εκτελεί την κυκλική μεταβολή του σχήματος, όπου η μεταβολή ΓΑ είναι ισόθερμη. Η θερμοκρασία του αερίου στην κατάσταση Γ είναι: Α.220 Κ Β.200 Κ Γ. 600 Κ Δ.120 Κ Εξήγηση: Εφαρμόζουμε την καταστατική για την κατάσταση ισορροπίας Α και είναι ΤΑ=ΤΓ λόγω ισόθερμης Γ->Α. 5. Στην α δ ι α β α τ ι κ ή μεταβολή ιδανικού αερίου ισχύει: α) Q=W β) Q=ΔU γ) W=-ΔU δ) ΔU=0 6. Κατά την ισόθερμη εκτόνωση ιδανικού αερίου: α) Η εσωτερική ενέργεια μειώνεται. β) Η πίεση αυξάνεται. γ) Η θερμότητα μετατρέπεται σε έργο. δ) Η ενεργός ταχύτητα αυξάνεται 7. Το έργο στην ισοβαρή μεταβολή είναι: Vτ ln α) W=0 β) W= nr ΔΤ γ) W=n R T Vα PτVτ PαTα δ) W = 1 γ 8. Στην ισόχωρη θέρμανση ιδανικού αερίου, η πίεση: α) μένει σταθερή β) μειώνεται γ) αυξάνεται δ) μηδενίζεται 2 www.perignoseos.edu.gr
9. Χαρακτηρίστε τις προτάσεις που ακολουθούν σωστές (Σ) ή λάθος (Λ). α) Σε κάθε αντιστρεπτή μεταβολή ενός αερίου (ιδανικού) το έργο μπορεί να υπολογιστεί από το διάγραμμα Ρ-V (πίεσης-όγκου). β) Δεν υπάρχει μεταβολή ενός αερίου που να μετατρέπει την θερμότητα εξ ολοκλήρου σε έργο. γ) Η θερμότητα μεταφέρεται από τα ψυχρότερα στα θερμότερα σώματα. δ) Ανάμεσα στα μόρια ιδανικού αερίου ασκούνται δυνάμεις πριν τη κρούση τους. ε) Ένα αέριο βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας όταν P, V, T παραμένουν σταθερές με το χρόνο και το χώρο. 10. Σε ένα ιδανικό αέριο ισχύει γ= 2 3,τότε η ειδική θερμότητα υπό σταθερό όγκο είναι: 3 α) C v = R 2 β) C v =2R γ) C v = 5R Επιλέξτε τη σωστή απάντηση. Εξήγηση: Είναι C p C v = R και γ = C p/c v,επιλύουμε ως προς C v. 11. Ορισμένη ποσότητα ιδανικού μονατομικού αερίου με n moles βρίσκεται στην κατάσταση Α με πίεση P A και όγκο V Α και εκτελεί την κυκλική μεταβολή του σχήματος, όπου η μεταβολή ΓΑ είναι ισόθερμη. Α) Το έργο της κυκλικής μεταβολής είναι μηδενικό. Σ ή Λ Β) Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του αερίου στην κυκλική μεταβολή είναι μηδενική. Σ ή Λ Γ) Στην ισοβαρή ΑΒ το αέριο δέχεται θερμότητα. Σ ή Λ Δ) Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας στη ΓΑ είναι αρνητική. Σ ή Λ 3 www.perignoseos.edu.gr
12. Ορισμένη ποσότητα ιδανικού αερίου μεταβαίνει από τη κατάσταση Α στη κατάσταση Γ, με δύο τρόπους: Α) ισόθερμα (ΑΓ) και Β) ισοβαρώς και ισόχωρα (ΑΒΓ) όπως δείχνει το διάγραμμα Πίεσης- Όγκου. P Α Β Γ 0 V 1 V V 1) Για τα έργα ισχύει: α) W ΑΓ = W ΑΒΓ β) W ΑΓ < W ΑΒΓ Επιλέξτε τη σωστή απάντηση. 2) Για τις θερμότητες ισχύει: α) Q ΑΓ = Q ΑΒΓ β) Q ΑΓ < Q ΑΒΓ Επιλέξτε τη σωστή απάντηση. Εξήγηση: Για τα έργα θα γίνει σύγκριση εμβαδών στο διάγραμμα ενώ για τις θερμότητες ανακαλέστε τον 1 ο Θερμοδυναμικό νόμο και λάβετε υπόψη σας ότι η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του αερίου είναι μηδέν και για τις δύο διαδικασίες αφού ΤΑ = ΤΓ. 13. Σε μία θερμοδυναμική διαδικασία ένα αέριο απορροφά θερμότητα Q = 2000J και παράγει ωφέλιμο έργο W = 1200J. Η εσωτερική ενέργεια του αερίου τότε θα α. αυξάνεται κατά 3200J. γ. μειώνεται κατά 800J. β. αυξάνεται κατά 800J. δ. μειώνεται κατά 3200J. Εξήγηση: Είναι αριθμητική εφαρμογή του 1 ου Θερμοδυναμικού νόμου. 4 www.perignoseos.edu.gr
14. Να χαρακτηρίσετε κάθε μία από τις προτάσεις που ακολουθούν σαν σωστή (Σ) ή λανθασμένη (Λ). α. Δεν υπάρχει θερμοδυναμική μεταβολή, ορισμένης ποσότητας ιδανικού Λ αερίου, στην οποία το μηχανικό έργο που ανταλλάσσει το αέριο με το περιβάλλον μπορεί να μετατραπεί εξ ολοκλήρου σε θερμότητα. β. Κατά την αδιαβατική ψύξη ορισμένης ποσότητας ιδανικού αερίου η πίεσή του αυξάνεται. γ. Η θερμότητα μεταφέρεται αυθόρμητα από τα θερμότερα προς τα ψυχρότερα σώματα, όταν αυτά είναι σε θερμική επαφή. Για το αντίστροφο φαινόμενο απαιτείται η δαπάνη ορισμένου ποσού ενέργειας. δ. Η συμπεριφορά του ευγενούς ηλίου (He) περιγράφεται ικανοποιητικά από την καταστατική εξίσωση των ιδανικών αερίων, όσο και αν αυξηθεί η πυκνότητά του. ε. Η μέση κινητική ενέργεια των μορίων ιδανικού αερίου δεν εξαρτάται από την πίεση ή τον όγκο του αερίου. Λ Σ Λ Σ 15.Να αντιστοιχίσετε τα φυσικά μεγέθη της πρώτης στήλης με τις μονάδες μέτρησης της δεύτερης στήλης. Φυσικά Μεγέθη 1. Συντελεστής αδιαβατικής μεταβολής 2. Πίεση αερίου 3. Εσωτερική Ενέργεια 4. Απόλυτη Θερμοκρασία Απάντηση : 1-γ, 2-β, 3-α, 4-δ. Μονάδες (S.I.) α. J β. N/m 2 γ. καθαρός αριθμός δ. K 5 www.perignoseos.edu.gr
P (10 5 N/m 2 ) 4 Β 2 Α Γ 0 3 6 V V(10-3 m 3 ) 16. Πόση είναι η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας στη μεταβολή ΒΓ ; Α) Μηδέν Β) Θετική Γ) Αρνητική Εξήγηση: Κάνοντας χρήση της καταστατικής εξίσωσης και του συνδυαστικού νόμου για τις καταστάσεις Β και Γ βρίσκουμε ότι ΤΒ = ΤΓ οπότε ΔUΒΓ =n C v ΔΤ = 0. 17. Ερώτηση στην ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΕΡΙΟΥ Δύο διαφορετικές ποσότητες αερίου βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία. Ποια από τις επόμενες προτάσεις είναι σωστή; α) Οι δύο ποσότητες έχουν την ίδια εσωτερική ενέργεια. β) Μεγαλύτερη εσωτερική ενέργεια έχει η μεγαλύτερη ποσότητα. γ) Μεγαλύτερη εσωτερική ενέργεια έχει η ποσότητα που καταλαμβάνει το μεγαλύτερο όγκο. δ) Μεγαλύτερη εσωτερική ενέργεια έχει το αέριο με τη μεγαλύτερη πίεση. Εξήγηση: Η Εσωτερική ενέργεια είναι ΘΔ καταστατικό συντηρητικό μέγεθος και εξαρτάται από το είδος, την ποσότητα και την απόλυτη θερμοκρασία του αερίου. Είναι δηλαδή U = f ( είδος,n,t ), αφού Μ1>Μ2-----> U1>U2. 18. Η θερμοκρασία της ψυχρής δεξαμενής (συμπυκνωτής) μιας θερμικής μηχανής Carnot είναι 20 0 C. Ο θεωρητικός συντελεστής απόδοσης της μηχανής είναι e = 0,5. Η θερμοκρασία της θερμής δεξαμενής (λέβητας) της μηχανής είναι: α. 40 0 C β.80 0 C γ. 313 0 C δ. 586 0 C Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση. 6 www.perignoseos.edu.gr
Εξήγηση: Από το συντελεστή απόδοσης της θερμικής μηχανής Καρνό έχουμε ότι T c= 293 0 C, οπότε Th = 586 0 C. Ως εκ τούτου είναι Τh= Θh +273.- P Δ A B Γ Ζ 19. Από τις αντιστρεπτές μεταβολές ορισμένης ποσότητας ιδανικού αερίου που αποδίδονται στο παρακάτω κοινό διάγραμμα (P-V). Tο μεγαλύτερο έργο αντιστοιχεί στη μεταβολή V α. Α Β β. Α Γ γ. Α Δ δ. Α Ζ 20. Στις επόμενες προτάσεις-διατυπώσεις να επιλέξετε τη σωστή απάντηση: α) Κάθε θερμική μηχανή λειτουργεί ανάμεσα σε δύο θερμοκρασίες. β) Ο συντελεστής απόδοσης είναι το πηλίκο της ωφέλιμης ενέργειας που δίνει η μηχανή προς το ποσό της θερμότητας που αποβάλλει. γ) Αν δεν υπήρχαν τριβές ο συντελεστής απόδοσης θα ήταν 1. δ) Η απόδοση των μηχανών κυμαίνεται ανάμεσα στο 70 με 80% 21. Όταν η πίεση ορισμένης ποσότητας ιδανικού αερίου τριπλασιάζεται υπό σταθερό όγκο, τότε η πυκνότητα του αερίου: α) παραμένει η ίδια β) διπλασιάζεται γ) υποδιπλασιάζεται δ) τετραπλασιάζεται Εξήγηση: Είναι η πυκνότητα ρ = Μ / V και στην ισόχωρη μεταβολή ΔV=Ο άρα Δ ρ = Ο.- 22. Μία ποσότητα αερίου από την κατάσταση Α (P1, V1, T1) μπορεί να εκτονωθεί σε όγκο 2V1 είτε : 1) ισόθερμα είτε 2) ισοβαρώς. Τα ποσά θερμότητας που απορροφά το αέριο από το περιβάλλον για τις παραπάνω αντιστρεπτές μεταβολές είναι: Α) Q1 = Q2 B) Q1 > Q2 Γ) Q1 < Q2 Εξήγηση: Είναι Q1 = P1( 2V1-V1)=P1V1 > Q2= n RT1 ln 2=P1V1 ln 2.- 7 www.perignoseos.edu.gr
23. Να αντιστοιχίσετε κατάλληλα τα παρακάτω: PB Α. W = nrt n P A α. ισόθερμη μεταβολή Β. W = P V β. ισόχωρη μεταβολή P V2 P1 Γ. W = 1 γ 2 V1 γ. ισοβαρής μεταβολή Δ. W =0 δ. αδιαβατική μεταβολή Απάντηση: A-α, Β-γ, Γ-δ, Δ-β.- 24. Στην ισόχωρη θέρμανση ιδανικού αερίου, για την εισρέουσα θερμότητα Q και για τη μεταβολή της εσωτερικής του ενέργειας ΔU ισχύει ότι: α.q=0 β.q>δu γ. Q=ΔU δ. ΔU=0. Εξήγηση: Από τον 1 ο Θ.Δ. Νόμο Q=Δ U+W αλλά W=0 στην ισόχωρη.- 25. Να βρείτε τη μεταβολή στην εσωτερική ενέργεια μιας ποσότητας ιδανικού αερίου στις παρακάτω περιπτώσεις και να κάνετε τις αντιστοιχίσεις: α. Το αέριο απορροφά θερμότητα 1300 Joule και παράγει έργο 200Joule. β. Το αέριο απορροφά θερμότητα 1200 Joule και του προσφέρεται έργο 150Joule. γ. Αφαιρούμε από το αέριο θερμότητα 3500 Joule με σταθερό όγκο. Να γίνουν αναλυτικά οι υπολογισμοί και να αντιστοιχίσετε τα γράμματα με τους αριθμούς. 1) 1350 J 2) 1100 J 3)-3500 J Απάντηση : α-2, β-1, γ-3 Εξήγηση: Από τον 1 ο Θ.Δ. Νόμο : Q=Δ U+W αλλά και W=0 στην ισόχωρη. 26. Σε ποια από τις παρακάτω εκτονώσεις έχουμε μείωση της θερμοκρασίας; α) ισοβαρή, β) αδιαβατική, γ) ισόθερμη Εξήγηση: Σε ισοβαρή εκτόνωση έχουμε αύξηση θερμοκρασίας, ενώ στην ισόθερμη δεν μιλάμε για μεταβολή θερμοκρασίας. Στην αδιαβατική όμως W>O και W= - ΔU, οπότε έχουμε μείωση της εσωτερικής ενέργειας άρα και ΔΤ<Ο. Επιμέλεια ύλης: Γ.Φ. Σ ι ώ ρ η ς - Φυσικός. 8 www.perignoseos.edu.gr