RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt



Samankaltaiset tiedostot
Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Lämpöopin pääsäännöt

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

1. Kumpi painaa enemmän normaalipaineessa: 1m2 80 C ilmaa vai 1m2 0 C ilmaa?

Lämpöopin pääsäännöt. 0. pääsääntö. I pääsääntö. II pääsääntö

Lämmityksen lämpökerroin: Jäähdytin ja lämmitin ovat itse asiassa sama laite, mutta niiden hyötytuote on eri, jäähdytyksessä QL ja lämmityksessä QH

Muita lämpökoneita. matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jäähdytyksen tehokerroin: Lämmityksen lämpökerroin:

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

13 KALORIMETRI Johdanto Kalorimetrin lämmönvaihto

VASTAUKSIA YO-KYSYMYKSIIN KURSSISTA FY2: Lämpö

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Aineen olomuodot ja olomuodon muutokset

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

4 Aineen olomuodot. 4.2 Höyrystyminen POHDI JA ETSI

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

TERMODYNAMIIKAN KURSSIN FYS 2 KURS- SIKOKEEN RATKAISUT

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

Teddy 1. välikoe kevät 2008

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Oikeasta vastauksesta (1p): Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua

ln2, missä ν = 1mol. ja lopuksi kaasun saama lämpömäärä I pääsäännön perusteella.

Työssä määritetään luokkahuoneen huoneilman vesihöyryn osapaine, osatiheys, huoneessa olevan vesihöyryn massa, absoluuttinen kosteus ja kastepiste.

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

Lämpöistä oppia Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka

Termodynamiikka. Termodynamiikka on outo teoria. Siihen kuuluvat keskeisinä: Systeemit Tilanmuuttujat Tilanyhtälöt. ...jotka ovat kaikki abstraktioita

Luku 8 EXERGIA: TYÖPOTENTIAALIN MITTA

Työ 3: Veden höyrystymislämmön määritys

Ilman suhteellinen kosteus saadaan, kun ilmassa olevan vesihöyryn osapaine jaetaan samaa lämpötilaa vastaavalla kylläisen vesihöyryn paineella:

Luento 4. Termodynamiikka Termodynaamiset prosessit ja 1. pääsääntö Entropia ja 2. pääsääntö Termodynaamiset potentiaalit

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 9 /

LÄMPÖPUMPUN ANTOTEHO JA COP Täytä tiedot vihreisiin ruutuihin Mittauspäivä ja aika LASKE VIRTAAMA, JOS TIEDÄT TEHON JA LÄMPÖTILAERON

Työssä määritetään luokkahuoneen huoneilman vesihöyryn osapaine, osatiheys, huoneessa olevan vesihöyryn massa, absoluuttinen kosteus ja kastepiste.

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Lämpötila ja lämpöenergia

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

Peruslaskutehtävät fy2 lämpöoppi kurssille

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

- Termodynamiikka kuvaa energian siirtoa ( dynamiikkaa ) systeemin sisällä tai systeemien kesken (vrt. klassinen dynamiikka: kappaleiden liike)

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Aineopintojen laboratoriotyöt 1. Veden ominaislämpökapasiteetti

Kiiännö!! b) Fysiikan tunnilla tutkittiin lääkeruiskussa olevan ilman paineen riippuvuutta lämpötilasta vakiotilavuudessa ruiskuun kiinnitetyn

Kemiallinen reaktio

Oikeat vastaukset: Tehtävän tarkkuus on kolme numeroa. Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

Lämpötila, lämpö energiana

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

LÄMPÖOPPIA: lämpöenergia, lämpömäärä (= lämpö Q) Aineen lämpötila t aineen saaman lämpömäärän Q funktiona; t = t(q)

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Ekso- ja endotermiset reaktiot sekä entalpian muutos

Luvun 12 laskuesimerkit

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

T H V 2. Kuva 1: Stirling kiertoprosessi. Ideaalisen Stirlingin koneen sykli koostuu neljästä osaprosessista (kts. kuva 1):

Lämpöistä oppia ja energiaa Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka

Kuivauksen fysiikkaa. Hannu Sarkkinen

Tarvittavat välineet: Kalorimetri, lämpömittari, jännitelähde, kaksi yleismittaria, sekuntikello

FY9 Fysiikan kokonaiskuva

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

VIII KIERTOPROSESSIT JA TERMODYNAAMISET KONEET 196

1. Laske ideaalikaasun tilavuuden lämpötilakerroin (1/V)(dV/dT) p ja isoterminen kokoonpuristuvuus (1/V)(dV/dp) T.

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

Kaasu Neste Kiinteä aine Plasma

Ohjeellinen pituus: 2 3 sivua. Vastaa joko tehtävään 2 tai 3

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

KOE 3, A-OSIO Agroteknologia Agroteknologian pääsykokeessa saa olla mukana kaavakokoelma

LUKION FYSIIKKAKILPAILU PERUSSARJA

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

TUTKIMUS IKI-KIUKAAN ENERGIASÄÄSTÖISTÄ YHTEISKÄYTTÖSAUNOISSA

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2011 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Tämän päivän ohjelma: ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

Energia-alan keskeisiä termejä. 1. Energiatase (energy balance)

1. van der Waalsin tilanyhtälö: 2 V m RT. + b2. ja C = b2. Kun T = 273 K niin B = cm 3 /mol ja C = 1200 cm 6 mol 2

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

Entalpia - kuvaa aineen lämpösisältöä - tarvitaan lämpötasetarkasteluissa (usein tärkeämpi kuin sisäenergia)

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

Transistori. Vesi sisään. Jäähdytyslevy. Vesi ulos

Lämpöoppi 2. Energia lämpöopin kautta

Clausiuksen epäyhtälö

Fysiikan maailmankuva 2015 Luento 8. Aika ja ajan nuoli lisää pohdiskelua Termodynamiikka Miten aika ja termodynamiikka liittyvät toisiinsa?

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa:

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Kaksi yleismittaria, tehomittari, mittausalusta 5, muistiinpanot ja oppikirjat. P = U x I

Aineen olomuodot. Fysiikka 2 tiivistelmä. Lämpö. Nimityksiä: systeemit. Paine. Lämpötila F A

0 C lämpötilaan antaa 836 kj. Lopputuloksena on siis vettä lämpötilassa, joka on suurempi kuin 0 0 C.

Transkriptio:

Physica 9 1. painos 1(7) : 12.1 a) Lämpö on siirtyvää energiaa, joka siirtyy kappaleesta (systeemistä) toiseen lämpötilaeron vuoksi. b) Lämpöenergia on kappaleeseen (systeemiin) sitoutunutta energiaa. c) Kappaleen (systeemin) sisäenergia on rakenneosasten liike- ja potentiaalienergiaa. d) Aineeseen tai aineesta siirtyvä lämpö eli lämpömäärä on cmδ T, jossa c on aineen ominaislämpö. e) Faasi on aineen olomuotoalue. f) Kiehuminen tapahtuu lämpötilassa, jossa nesteen sisäinen höyrynpaine on yhtä suuri kuin ulkoinen paine. Jos höyrynpaine on yhtä suuri tai suurempi kuin ulkoinen paine, höyryä muodostuu kaikkialla nesteessä, eli neste kiehuu. g) Jos nesteen sisäinen höyrynpaine on matala, haihtumista tapahtuu ainoastaan nesteen pinnasta. h) Kolmoispisteen lämpötilassa ja paineessa kaikki kolme olomuotoa ovat tasapainossa keskenään. i) Entropia kuvaa systeemin järjestyksen astetta, ja se liittyy aineen mikroskooppisten rakenteiden järjestykseen. Systeemin entropia on sitä suurempi, mitä pienempi systeemin järjestys on. Luonnollisissa prosesseissa systeemin epäjärjestys kasvaa ja samalla entropia kasvaa. j) Termodynamiikan pääsäännöt: Lämpöopin nollaspääsääntö Eristetyssä systeemissä lämpötilaerot tasoittuvat. Lämpöopin ensimmäinen pääsääntö Sisäenergian muutos on Δ U + W, jossa on systeemiin/systeemistä siirtyvä lämpö ja W on systeemin tekemä/systeemiin tehtävä työ. Systeemiin siirtyvät energiat tulkitaan positiivisiksi. Lämpöopin toinen pääsääntö Sellaista lämpövoimakonetta, joka muuttaisi kaiken ottamansa lämmön työksi, ei voida rakentaa. Termodynaamisissa prosesseissa yhä vähemmän energiaa on käytettävissä työksi. Kaikki termodynaamiset prosessit suuntautuvat kohti tasapainoa. Termodynaamisissa prosesseissa entropia kasvaa. Lämpöopin kolmas pääsääntö Absoluuttista nollapistettä, 0 K, ei voi saavuttaa. k) Carnot-hyötysuhde on lämpövoimakoneen maksimihyötysuhde.

Physica 9 1. painos 2(7) 12.2 veden massa m 1 0,150 kg alumiinikappaleen massa m 2 0,100 kg veden ominaislämpökapasiteetti c 1 4,19 /(kg C) alumiinin ominaislämpökapasiteetti c 2? veden ja astian alkulämpötila t 1 20,0 C alumiinin alkulämpötila t 2 68 C loppulämpötila t 26 C Koska systeemi on eristetty, luovutettu lämpömäärä on yhtä suuri kuin vastaanotettu lämpömäärä. luovutettu vastaanotettu Vesi lämpenee ja alumiini jäähtyy, joten cm ( t t ) c m ( t t ), 1 1 1 2 2 1 josta ratkaistaan cm 1 1( t t1) c2 m ( t t) 2 2 4,19 0,150 kg 6,0 C 0,100 kg 42 C 0,8979 0,90 kg C. kg C Vastaus: Alumiinin ominaislämpökapasiteetti on 0,90. kg C 12.3 Jääpalan massa on m j 1,00 kg ja alkulämpötila t a 20 C. Lämmitysteho on P 0,1 kw. Ratkaistaan tehon avulla jään lämpenemiseen, sulamiseen ja veden lämpenemiseen kuluvat ajat. Teho on P, Δ t josta saadaan aika Δ t. P Jään lämpeneminen jl c jmj( ta tjs ) 2, 06 1, 00kg 20 o 41,2 41, 2 0,1 kw jl Δ tjl 412 s 6,9 min P

Physica 9 1. painos 3(7) Jään sulaminen s sm 333 1,00 kg 333 kg s 333 Δ ts 3330 s. P 0,1 kw Jään sulamiseen ja lämmitykseen kulunut aika: Δ + Δ t s 412 s + 3330 s 62,4 min. t jl Veden lämpeneminen vl cvm( tl tjs ) 4,19 1,00 kg 100 C o 419 419 0,1 kw l Δ tl P Kokonaisaika Δ + Δ ts + t jl Δ tl 4190 s 412 s + 3330 s + 4190 s 132,3 min Piirretään lämpötilan kuvaaja. 12.4 Veden alkulämpötila on t v 22 C ja loppulämpötila t 1 37 C. Veden massa on m v 6,5 kg ja kivien massa m k 2,7 kg Kivien ominaislämpökapasiteetti on c k 0,83 /kg C Oletetaan, että kivi on kauttaaltaan alkulämpötilassa ja lopussa se on kokonaan loppulämpötilassa. Kivien luovuttama lämpömäärä on yhtä suuri kuin veden vastaanottama lämpömäärä. luovutettu vastaanotettu eli cm( t t) cm( t t) k k k l v v l v cm( t t) k k k k k l v v l v + cm( t t) k k k k k l v v l v Ratkaistaan kivien alkulämpötila t k k k l + cm v v( tl tv) cm k k 0,83 2,7 kg 37 C + 4,19 6,5 kg (37 C 22 C) 0,83 2,7 kg 219,2959 C 220 C. Vastaus: Kivien alkulämpötila oli 220 C.

Physica 9 1. painos 4(7) 12.5 veden massa m v 10,0 kg ja jään massa m j 3,0 kg jäätä. Veden alkulämpötila t v 20 C ja loppulämpötila t l 0 C. Jäätä sulaa m s, jolloin jääksi jää m j m s. veden massa m v Vesi luovuttaa lämpöä ja osa jäästä sulaa ja osa jää jääksi. Loppulämpötila on 0 C. luovutetettu vastaanotettu cm( t t) sm v v v l s Sulavan jään massa on cm v v( tv tl) ms s 4,19 10,0 kg 20 C kg 333 C 2,5165 kg 2,5 kg. Jääksi jää 3,0 kg 2,5165kg 0,4835 kg 0,50 kg. Vastaus: Jäätä jää jääksi (sulamatta) 0,50 kg. 12.6 a) Paineen lisäys nostaa kiehumispistettä, koska kiehumispistekäyrä (oikeanpuoleinen käyrä) nousee. b) 1 2: Ensin höyryn lämpötila laskee paineen pysyessä vakiona. Käyrällä höyry tiivistyy, sitten neste jäähtyy. 1 3: Ensin höyryn lämpötila pysyy vakiona ja höyryn paine kasvaa. Höyry tiivistyy nesteeksi lämpötilan pysyessä vakiona. c) Vallitsee tasapainotila: Vesi on sekä kaasumaisena että kiinteänä. 12.7 a) Jään sulamiseen kuluu energiaa. Energia otetaan vedestä, jolloin veden lämpötila laskee. b) Suihku kastelee ihoa. Iholta haihtuva vesi sitoo lämpöenergiaa ja jäähdyttää ihoa. c) Ei ole. Vesi höyrystyy kiukaalla. Höyrystyminen sitoo huomattavasti enemmän energiaa kuin veden lämmittäminen. d) Höyrystyminen sitoo energiaa. Pullossa on nestettä, joka höyrystyy paineen pienetessä, kun kaasua käytetään. e) Ilmassa oleva vesihöyry tiivistyy kylmään pintaan, sillä kylmään ilmaan mahtuu vähemmän vettä. 12.8 Veden massa on m 1 0,300 kg, messinki astian massa m 2 0,255 kg ja lyijyn massa m 3 0,200 kg. Veden ominaislämpökapasiteetti on c 1 4,19 /(kg C), messingin ominaislämpökapasiteetti c 2 0,380 /(kg C) ja

Physica 9 1. painos 5(7) lyijyn ominaislämpökapasiteetti c 3 0,128 /(kg C). Veden ja astian alkulämpötila on t 1 21,3 C ja lyijyn alkulämpötila t 3 100 C. Astia ja vesi lämpenevät ja lyijy jäähtyy. luovutettu vastaanotettu eli cm ( t t ) + c m ( t t ) c m ( t t) 1 1 1 2 2 1 3 3 3 1 1 1 1 1+ c2m2t c2m2t1 c3m3t3 c3m3t 1 1 + 2 2 + 3 3 1 1 1+ 2 2 1+ 3 3 3 Loppulämpötila on + + t cm + cm + cm 1 1 1 2 2 1 3 3 3 1 1 2 2 3 3 4,19 0,300 kg 21,3 C + 0,380 0,255 kg 21,3 C + 0,128 0,200 kg 100 C 4,19 0,300 kg + 0,380 0,255 kg + 0,128 0,200 kg 22,7605 C 22,8 C. Vastaus: Loppulämpötila oli 22,8 C. 12.9 Astian lämpökapasiteetti C 40 J/ C, veden massa m 79 g vettä. Alkulämpötila θ 1 81 C. a) Koska lämpötilaerot pyrkivät tasoittumaan, lämpötilan kuvaaja lähenee asymptoottisesti ympäristön lämpötilaa. Ekstrapoloimalla jäähtymiskäyrää voidaan arvioida ympäristön lämpötilan olevan noin 30 C. b) Sekä vesi että astia luovuttavat jäähtyessään lämpöä ympäristöön. Kuvaajasta todetaan, että ensimmäisen 2000 sekunnin aikana systeemi on jäähtynyt lämpötilasta 81 C lämpötilaan 40 C. Täten ympäristöön siirtynyt lämpömäärä on c m( θ θ ) + C( θ θ ) v 1 2 1 2 J 4,19 0, 079 kg (81 C 40 C) + 40 (81 C 40 C) C 15211 J 15.

Physica 9 1. painos 6(7) c) Hetkellinen lämpöteho d dθ dθ P cvm + C. dt dt dt Jäähtymisnopeus d θ hetkellä 350 s saadaan kuvaajan tangentin fysikaalisena dt kulmakertoimena. Kuviosta saadaan Δ θ 67 C C 0, 0312. Δt 2150 s s Sijoittamalla tehon P lausekkeeseen saadaan P C J C 4,19 0,079 kg 0,0312 40 0,0312 s + C 11,6 W 12 W. s Vastaus: a) Ympäristön lämpötila on noin 30 C. b) Lämpöä on siirtynyt ympäristöön 15. c) Systeemistä poistuva lämpöteho hetkellä 350 s on 12 W. 12.10 Oletetaan, että virvoitusjuoman ominaisuudet ovat kuten veden c limu 4,19 /kg C, c jää 2,09 /kg C, s 333 /kg Olkoon loppulämpötila t x. Jään massa saadaan tiheyden ja tilavuuden tulona kg 3 3 mjää ρv 917 4,5 10 m 0, 41265 kg. 3 m Luovutetut energiat: Limonaati jäähtyy 10 C 0 C limu1 climumlim uδ tlim u 4,19 0,05kg 10 C 2,095. Limonaati jäätyy lim u2 smlim u 333 0,05kg kg 16,65. Jäätynyt limonaati jäähtyy 0 C -> t x lim u3 cjäämlim uδ tlim u jää 2,09 0,05 kg (0 C tx ) Vastaanotettu energia jää cjäämjääδ tjää 2,09 0,41265 kg ( t x ( 30 C)) Luovutetut energiat ovat yhteensä yhtä paljon kuin vastaanotettu energia + + lim u1 lim u2 lim u3 jää

Physica 9 1. painos 7(7) 2,095 + 16,65 + 2,09 0,05 kg (0 C tx) 2,09 0,41265 kg ( tx + 30 C) 7,3719 C -7,4 C Vastaus: Loppulämpötila on 7,4 C. t x