Radni listić za učenike 18. Toplina I termodinamika

Toplina_i_termodinamika'>RADNI LISTIĆ ZA UČENIKE 18. Toplina i termodinamika
Toplina Q je dio ________________ tijela koja prolazi s jednog tijela na drugo zbog razlike temperatura tih tijela. Toplina i unutrašnja energija se mjere _____________ ( ).
Jedinica za temperaturu je _____________ ( ) i _______________________ ( ).
Specifi
ni toplinski kapacitet je količina topline potrebna da se masi od 1 kg neke tvari promijeni temperatura za 1 K i izražava se u J kg-1 K-1.
Čvrste tvari se zagrijavanjem _____________, a hlađenjem _______________.
Izotermna promjena stanja plina je promjena kod koje temperatura ostaje stalna, a promjenu tlaka i volumena opisuje Boyle - Mariotteov zakon: T = konst.
Izobarna promjena stanja plina je takva promjena kod koje je tlak plina konstantan, a volumen raste s porastom temperature prema Gay - Lussacovom zakonu: p = konst.
Izohorna promjena stanja plina je takova promjena stanja plina kod koje se volumen plina
ne mijenja, a tlak raste s porastom temperature prema Charlesovom zakonu. V = konst.
ΔU = Q + W
|
|
|
Unutrašnja energija sustava se može promijeniti dovođenjem (odvođenjem) topline kao i obavljanjem rada. Prema prvom zakonu termodinamike je:
ΔU = Q + W
Plin pri širenju obavlja rad. Taj rad ovisi o vrsti procesa kojim se plin rasteže.
Pri izobarnom širenju (p = konst.) pri tlaku p od volumena V1 do volumena V2 rad je jednak:
Pri izohornom procesu (V = konst.) plin se ne širi, te je i rad nula.
Pri adijabatskom procesu (Q = 0, nema izmjene topline s okolinom) pa se rad obavlja na račun smanjenja unutrašnje energije.
Pri izotermnom procesu (T = konst.) nema promijene unutrašnje energije (ΔU = 0) te se sva
dovedena toplina pretvara u rad W = Q.
U p,V - grafu površini ispod krivulje je jednaka ________________.
Korisnost idealnog toplinskog stroja
Korisnost η nekog toplinskog stroja govori o tome koliki je dio topline dobivene od toplijeg
spremnika prešao u mehanički rad.
Ako su dva tijela različitih temperatura u međusobnom dodiru, onda je prema zakonu o
očuvanju unutrašnje energije količina topline koju je toplije tijelo ______________ hlađenjem
jednako količini topline koju hladnije tijelo zagrijavanjem ______________.
Q1 = Q2
Kod toplinskih strojeva dio unutrašnje energije plinova ili para (radnog tijela) se pretvara u rad. To je moguće samo ako postoji razlika temperatura spremnika između kojih kruži radno tijelo.
Carnotov toplinski stroj se sastoji od:
-
izotermne ekspanzije plina (sustav predaje rad okolini)
-
adijabatskoj ekspanuiji plina (Q – konst. plin ekspandirajući predaje rad okolini)
-
izotermna kompresija plina (okolina vrši rad na sustavu)
-
adijabatsk akompresija plina (Q – konst. plin komprimirauči se okolina vrši rad na sustavu rad okolini)
W(adijabatska ekspanzija) = W(adijabatska kompresija)
1. Temperatura od 39 oC iznosi u kelvinima:
-
39 K
-
282 K
-
312 K
-
- 234 K
2. Ako se temperatura tijela povisi s 25 oC na 40 oC, povisila se za:
-
– 15 K
-
258,15 K
-
288,15 K
-
15 K
3. Dvije šipke A i B od istog materijala. Početna duljina šipke A je polovina početne duljine šipke B. Ako se obje šipke zagriju na temp. 50oC, što će se dogoditi?
-
obje šipke će se produljiti za isti iznos jer je
promjena temperature jednaka
-
produljenje će biti jednako jer se šipke od istog materijala
-
šipka A će se produljiti dvostruko više od šipke B
-
šipka B se produlji dvostruko više od šipke A
4. Četiri šipke jednake duljine od aluminija, željeza, bakra i cinka na temp. 0oC zagrijavamo. Koja će se šipka najviše produljiti?
a) aluminij b) željezo
c) cink d) bakar
|
Tvari
|
aluminij
|
bakar
|
cink
|
željezo
|
Koef.top.šir /∙10–6 K–1
|
24
|
12
|
30
|
17
|
|
5. Koliki je koeficijent plošnog širenja željeza ako je koeficijent linearnog rastezanja željeza 12 ∙ 10–6 oC–1
-
12 ∙ 10–6 oC–1
-
12 ∙ 10–18 oC–1
-
24 ∙ 10–6 oC–1
-
144 ∙ 10–6 oC–1
6. Bakreni i srebrni štap jednake su duljine na 0°C.
a) Koji će od njih i zašto više promijeniti duljinu na (-20°C)?
b) Koji će od njih biti kraći ?
|
Koeficijent linearnog rastezanja
tvar
|
α/(10-5K-1)
|
aluminij
|
2,4
|
bakar
|
1,7
|
staklo
|
0,9
|
srebro
|
1,9
|
željezo
|
1,2
|
volfram
|
0,5
|
|
7. Duljina čelične šipke na (-10) °C je 1000 mm.
-
Što se događa s molekulama tvari pri zagrijavanju ?
-
Na kojoj će se temperaturi šipka produžiti za 3 mm ?
-
Kolika je duljina šipke na 30 °C?
8. Koji graf prikazuje produljenje metalne žice u funkciji temperature
|
a) graf a
b) graf b
c) graf c
d) graf d
|
9. U kojem slučaju govorimo o volumnom širenju?
|
|
|
|
a)
|
b)
|
c)
|
10. Olovnu kocku hladimo. Pri tome se:
a) smanjuje obujam i masa kocke; b) smanjuje obujam i gustoća kocke;
c) smanjuje obujam kocke, a gustoća povećava; d) povećava masa i gustoća kocke.
11. Koliko je topline potrebno za zagrijavanje 400,0 g vode od 20,0 oC do 100,0 oC u aluminijskoj posudi mase 500,0 g? Specifični toplinski kapacitet vode je 4,18 J g–1 oC–1, a aluminija 0,900 J g–1 oC–1.
12. Bakar mase 0,450 kg zagrijava se u kalupu mase 1,82 kg i utroši se 948,3 kJ topline na njegovo zagrijavanje s 19 oC na 245 oC. Odredi specifični toplinski kapacitet kalupa ako je specifični toplinski kapacitet bakra 0,385 J g–1 oK–1 .
13. Koliko litara vode temperature 20 oC treba uliti u posudu koja sadrži 50 litara vode temperature 85 oC da bi smjesa imala temperaturu 45 oC?
14. Pomiješane su dvije jednake koli
ine vode, temperatura 20° C a druga temperature 30°C. Ako postoje gubitci topline temperatura smjese je:
a) manja od 20° C b) veća od 20, manja od 25°C
c) veća od 25, manja od 30°C d) veća od 30 °C
15. Ako su dva tijela zagrijana na različite temperature u međusobnom dodiru, njihove će se temperature mijenjati dok se ne postigne toplinska ravnoteža. Koja je tvrdnja točna ?
-
u svakom slučaju;
-
samo za čvrste tvari ;
-
samo za čvrste i tekuće tvari ;
-
samo ako nijedna tvar ne mijenja agregatno stanje.
16. Dva malena tijela A i B jednakih masa stavimo u veliku količinu kipuće vode. Na crtežu je prikazan porast temperatura T tih tijela tijekom vremena t. Iz grafa možemo zaključiti da:
-
se tijelo B zagrijava brže;
-
je specifični toplinski kapaciteta za oba tijela jednak;
-
tijelo A ima veći specifični toplinski kapacitet od tijela B;
-
tijelo B ima veći specifični toplinski kapacitet od tijela A.
|
|
17. Koje od ova dva tijela, A i B ima veći specifični toplinski kapacitet i zašto?
mA= 0,5kg ; mB= 0,1kg. Od kojih su metala ova tijela?
ΔT/K
15
10
5
A
B
200 400 600 800 1000 1200 1400 Q/J
18. Za zagrijavanje tvari mase 1 kg za 1°C potrebno
je :
za led _____________________
za vodu ______________________
za vodenu paru _______________________
|
Spec.toplinski kapacitet tvari
|
c / J K-1 kg-1
|
platina
|
130
|
srebro
|
234
|
mjed
|
380
|
željezo
|
460
|
aluminij
|
910
|
vodena para
|
1900
|
led
|
2100
|
eter
|
2500
|
voda
|
4190
|
Latentna toplina promjene agr.stanja/(Jkg-1)
|
taljenja olova
|
0,25*105
|
taljenja srebra
|
1,0*105
|
taljenja platina
|
1,1*105
|
taljenja mjedi
|
1,8*105
|
taljenja leda
|
3,3*105
|
taljenja aluminija
|
3,3*105
|
isparavanja vode
|
22,6*105
|
isparavanja etera
|
3,9*105
|
|
19. Dok se tvar tali prima energiju. Na što se troši ta toplinska energija ?
-
na povišenje temperature krutine;
-
na povišenje temperature tekućine;
-
na povećanje tlaka;
-
na kidanje međumolekulskih veza.
20. Diskutirajte promjene agregatnih stanja tvari?
|
T,Q - dijagram zagrijavanja leda
T
T
i
T
l
Q
1
Q
2
Q
3
Q
4
Q
5
Q
|
21. Koliko topline treba utrošiti da bi od 5 kg leda temperature -20°C dobili paru temperature 130°C ?
22. Za taljenje 3 kg platine potrebno je _______________ topline na temperaturi _______________.
23. Koja fizikalna veličina ostaje stalna pri promjeni agregacijskog stanja?
-
temperatura tvari b) volumen c) gustoća d) toplina e) nijedna veličina
24. Dva tijela su u temperaturnoj ravnoteži ako imaju:
-
jednake specifične toplinske kapacitete
-
jednake mase
-
jednake toplinske kapacitete
-
jednake temperature
25. Kod izotermne promjene sustav ne mijenja temperaturu . Što se događa s unutrašnjom energijom sustava ?
-
uvijek se smanjuje;
-
povećava se ako sustav vrši rad;
-
povećava se ako se rad vrši nad sustavom;
-
uvijek je stalna.
26. Pri adijabatskoj promjeni stanja plina:
-
temperatura se snižava;
-
temperatura se ne mijenja ;
-
temperatura se povisuje ;
-
temperatura se može povisiti i sniziti, ali ne može ostati stalna.
27. Za povećanje korisnosti toplinskog stroja koji radi između dva spremnika treba mijenjati temperature. Koja je tvrdnja točna ?
-
treba povisiti temperaturu toplijem spremniku;
-
treba povisiti temperaturu hladnijem spremniku;
-
treba sniziti temperaturu toplijem spremniku ;
-
treba povisiti temperaturu toplijem spremniku i sniziti hladnijem.
28. Korisnost toplinskog stroja definirana je kao odnos:
-
primljene topline i obavljenog rada ;
-
obavljenog rada i predane topline;
-
obavljenog rada i primljene topline;
-
primljene topline i predane topline.
29. Koja je tvrdnja netočna ?
-
korisnost je uvijek manja od 1;
-
korisnost bi mogla biti veća od 1 samo ako stroj radi s idealnim plinom;
-
korisnost je uvijek veća od 1;
-
korisnost je uvijek 100%.
30. Korisnost stroja koji radi po Carnotovom kružnom procesu između 7 oC i 107 oC je:
a) 6,54 % ;
-
26,32% ;
-
34,48% ;
-
73,68% .
31. Plin se nalazi u cilindričnoj posudi s pokretnim klipom. Ako uz konstantnu temperaturu plina klip pustimo za 1/3 visine cilindra, tlak u cilindru će se:
-
povećati za 3 puta
-
smanjiti 3 puta
-
povećati za 1/3
-
povećati 1,5 puta
32. Nacrtajte p,V - graf, p, T - graf i V, T - graf za izobarnu promjenu plina.
33. Nacrtajte p,V - graf, p, T - graf i V, T - graf za izohornu promjenu plina.
34. Nacrtajte p,V - graf, p, T - graf i V, T - graf za izotermnu promjenu plina.
35. Ako plin držimo na konstantnoj temperaturi i udvostručimo tlak, što će biti s gustoćom plina?
-
ostat će ista jer ona ne ovisi o masi plina
-
udvostručit će se jer se volumen prepolovio
-
bit će dvostruko manja jer se i volumen prepolovio
-
ona ne ovisi o količini plina
36. Pri izobarnoj promjeni stanja plina, može se tvrditi:
-
volumen plina ostaje konstantan
-
volumen plina se smanjuje s porastom temperature
-
tlak plina se povećava s porastom temperature
-
tlak plina ostaje konstantan
37. Dvije jednake posude napunjene su istim plinom do tlaka 101 325 Pa pri različitim temperaturama. Što se može reći za masu plina u posudama?
-
masa plina je veća u posudi s nižom temperaturom
-
masa plina je veća u posudi s višom temperaturom
-
obje posude sadrže jednaku količinu tvari
-
ne može se odgovoriti jer nisu poznati volumeni posuda
38. Možemo li idealni plin prevesti u tekućinu?
-
da, ako ga ohladimo i komprimiramo
-
ne, jer ne postoje privlačne sile među molekulama
-
da, ako ga ohladimo na vrlo nisku temperaturu
-
ne, jer ne možemo eksperimentalno postići temperaturu apsolutne nule
39. Plin komprimiramo izotermno na tri puta manji volumen, pri čemu iz cilindra "pobjegne" jedna trećina mase plina. Konačni tlak plina je:
-
tri puta manji od početnog
-
tri puta je manji od početnoga
-
dva puta manji od početnoga
-
dva puta veća od početnoga
-
ne mijenja se tlak promjenom volumena
40. Plin komprimiramo izotermno i tada se plinu:
-
volumen smanji, tlak poveća, a unutarnja energija se ne mijenja
-
volumen smanji, tlak poveća, a unutarnja energija se poveća
-
volumen smanji, tlak poveća, a unutarnja energija se smanji
-
volumen smanji, tlak ne mijenja, a unutarnja energija se ne mijenja
-
volumen poveća, tlak smanji, a unutarnja energija se poveća
41. Za idealne jednoatomne plinove pri određenoj temperaturi vrijedi tvrdnja da:
-
srednja kinetička energija ovisi o vrsti plina
-
srednja kinetička energija ne ovisi o vrsti plina
-
srednja kinetička energija je veća kada je masa molekule plina manja
-
srednja kinetička energija je veća kada je masa molekule plina veća
42. Idealnom plinu predali smo toplinu od 5·106 J pri stalnom tlaku, a plin je pritom obavio rad od 3·106J. Unutarnja energija plina se:
a) smanjila se za 2·106 J
b) povećala se za 2·106 J
c) smanjila se za 8·106 J
d) povećala se za 8·106 J
e) nije mijenjala
43. Plin se komprimira adijabatski. Plinu se tada:
-
volumen i tlak poveća, pa se i unutarnja energija poveća
-
volumen smanji i zato poveća tlak, pa se i unutarnja energija poveća
-
volumen smanji i zato poveća tlak, ali se unutarnja energija ne mijenja
-
volumen smanji i zato se tlak i unutarnja energija ne mijenjaju
44. Pri adijabatskoj promjeni stanja plina:
-
temperatura se snižava;
-
temperatura se ne mijenja ;
-
temperatura se povisuje ;
-
temperatura se može povisiti i sniziti, ali ne može ostati stalna.
45. 1 mol dušika (N2) izobarno grijemo pri normiranom tlaku od 20 °C do 50 °C. specifični toplinski kapacitet pri stalnom tlaku je cp=1040 J K-1 kg -1.
a) Kolika je ukupna dovedena energija ?
b) Koliki je izvršeni rad ?
c) Kolika je promjena unutarnje energije ?
46. Projektil brzine 200 m s-1 udari u metalnu metu i zabije se u nju. Ako je specifični toplinski kapacitet metalne mete 600 J kg-1 K-1. Pri zaustavljanju 55% početne kinetičke energije projektila se utroši na zagrijavanje tijela projektila. Koliko je povećanje temperature projektila?
47. Radnik zabija željezni čavao mase 40 g u dasku udarajući ga čekićem mase 1,5 kg. Brzina čekića prije udarca iznosi 8 m s-1. Za koliko se kelvina ugrije čavao nakon 10 udaraca, ako pretpostavimo da se 60 % mehaničke energije pretvori u unutarnju energiju čavla. Specifični toplinski kapacitet željeza je
450 J kg-1K-1.
48. Pri izobarnom procesu kod tlaka 105 Pa plinu dovedemo toplinu od 150 J, dok se volumen plina poveća od 2 litre na 3 litre. Kolika je promjena unutarnje energije plina?
49. Gumu na biciklu volumena 5 L u napuhanom stanju pumpamo ručnom pumpom koja u jednom hodu ručice pumpe daje 200 cm3 zraka. Guma je u početku potpuno ispražnjena, a želimo postići tlak od
350 kPa. Koliko puta treba pritisnuti pumpu. Normirani tlak zraka je 101 325 Pa.
50. Zagrijavajući plin izobarno s temperature 10oC na 80oC je poprimilo obujam 200 cm3. Koliki je bio početni obujam plina prije zagrijavanja?
51. Pri 35 oC četiri mola vodika nalaze se pod tlakom 850 kPa. Nakon širenja pri stalnom tlaku obujam plina je 25 litara.
a) Koliki je rad obavio plin pri širenju?
b) Kolika je promjena unutarnje energije plina ako je on primio 20000 J topline?
52. Za koliko će se promijeniti unutarnja energija sustava koji pri adijabatskoj ekspanziji obavi rad od 500 kJ?
53. Izračunajte efektivnu brzinu gibanja molekula kisika pri 542 oC, ako znate njegovu molarnu masu 0,032 kg mol-1.
54. Na slici je kružni proces u kojem jedan mol idealnog plina uz početne uvjete po, Vo i To
p/po
prolazi kroz 4 stanja počevši od točke A:
a-b izobarna kompresija do volumena VO/2 ;
b-c izotermna kompresija do volumena VO/4;
c-d izohorno zagrijavanje ;
d-a izotermno širenje.
V
Temperatura na dijelu b-c dvaput je niža od
temperature na dijelu d-a.
0,25Vo 0,50Vo Vo
U tablicu upišite veličine koje nedostaju:
Definiraj točku A (početno stanje) da ovaj kružni ciklus prikazuje:
1. toplinski stroj;
2. toplinsku pumpu.
55. Zakon pomoću kojeg se računa rad u nekom termodinamičkom procesu W=p DV, može se primijeniti:
-
samo kada je tlak stalan;
-
samo kada je volumen stalan;
-
samo kada je temperatura stalna;
-
samo u kružnim promjenama.
56. Želimo li stroj velike korisnosti stroj treba raditi:
-
samo s jednim spremnikom niske temperature;
-
samo s jednim spremnikom visoke temperature;
-
s dva spremnika približno iste temperature;
-
s dva spremnika vrlo različite temperature.
57. Parni stroj ima korisnosti 25 %. U svakom procesu obavi rad od 100 J. Koliko topline primi, a koliko preda ?
-
Q1 =100 J, Q2 = 0 J;
-
Q1 =400 J, Q2 = 300 J;
-
Q1 =300 J, Q2 = 400 J;
d) Q1 =100 J, Q2 = 25 J;
58. Idealni toplinski stroj ima korisnost 25% i kao hladan spremnik koristi okolinu temperature
20oC. Odredi:
a) temperaturu toplog spremnika;
b) temperaturu toplog spremnika kada se korisnost povisi na 30 % ?
59. Razlikuju li se temperature kapljica vode na vrhu slapa visokog 100m i na njegovu dnu ako
pretpostavimo da sva mehanička energija vode prelazi u njezinu unutarnju energiju?
60. Plin obavlja Carnotov kružni proces. Temperatura hladnijeg spremnika je 280 K, a toplijeg 380 K . Koliko će se puta povećati korisnost procesa ako se temperatura toplijeg spremnika poveća za 200 K ?
61. U Carnotovu procesu plinu je pri temperaturi 400 K dovedeno 8.37 kJ topline. Dobiveni rad u kružnom procesu je 2093 J.
-
Kolika je korisnost ?
-
Kolika je toplina predana hladnijem spremniku ?
-
Kolika je temperatura hladnijeg spremnika ?
Zadatci s DM:
|