Physics For Scientists And Engineers 6E - part 150

 

  Index      Production     Physics For Scientists And Engineers 6E

 

Search            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  148  149  150  151   ..

 

 

Physics For Scientists And Engineers 6E - part 150

 

 

Problems

597

size  of  the  expansion  joints  that  must  be  built  into  the
structure.
A  copper  telephone  wire  has  essentially  no  sag  between

poles 35.0 m apart on a winter day when the temperature
is ! 20.0°C. How much longer is the wire on a summer day
when T

C

#

35.0°C?

10. The  concrete  sections  of  a  certain  superhighway  are  de-

signed to have a length of 25.0 m. The sections are poured
and  cured  at  10.0°C.  What  minimum  spacing  should  the
engineer leave between the sections to eliminate buckling
if the concrete is to reach a temperature of 50.0°C?

11. A pair of eyeglass frames is made of epoxy plastic. At room

temperature (20.0°C), the frames have circular lens holes
2.20 cm  in  radius.  To  what  temperature  must  the  frames
be heated if lenses 2.21 cm in radius are to be inserted in
them?  The  average  coefficient  of  linear  expansion  for
epoxy is 1.30 ) 10

!

4

(°C)

!

1

.

12. Each year thousands of children are badly burned by hot

tap water. Figure P19.12 shows a cross-sectional view of an
antiscalding  faucet  attachment  designed  to  prevent  such
accidents.  Within  the  device,  a  spring  made  of  material
with  a  high  coefficient  of  thermal  expansion  controls  a
movable plunger. When the water temperature rises above
a preset safe value, the expansion of the spring causes the
plunger to shut off the water flow. If the initial length of
the unstressed spring is 2.40 cm and its coefficient of lin-
ear  expansion  is  22.0 ) 10

!

6

(°C)

!

1

,  determine  the  in-

crease in length of the spring when the water temperature
rises by 30.0°C. (You will find the increase in length to be
small.  For  this  reason  actual  devices  have  a  more  compli-
cated mechanical design, to provide a greater variation in
valve opening for the temperature change anticipated.)

9.

floorboard hold stationary the ends of this section of copper
pipe. Find the magnitude and direction of the displacement
of the pipe elbow when the water flow is turned on, raising
the temperature of the pipe from 18.0°C to 46.5°C.

L

Figure P19.12

The active element of a certain laser is made of a glass

rod 30.0 cm long by 1.50 cm in diameter. If the tempera-
ture of the rod increases by 65.0°C, what is the increase in
(a) its length, (b) its diameter, and (c) its volume? Assume
that the average coefficient of linear expansion of the glass
is 9.00 ) 10

!

6

(°C)

!

1

.

14. Review  problem. Inside  the  wall  of  a  house,  an  L-shaped

section  of  hot-water  pipe  consists  of  a  straight  horizontal
piece  28.0 cm  long,  an  elbow,  and  a  straight  vertical  piece
134 cm  long  (Figure  P19.14).  A  stud  and  a  second-story

13.

Figure P19.14

15.

A brass ring of diameter 10.00 cm at 20.0°C is heated and
slipped  over  an  aluminum  rod  of  diameter  10.01 cm  at
20.0°C. Assuming the average coefficients of linear expan-
sion are constant, (a) to what temperature must this com-
bination  be  cooled  to  separate  them?  Is  this  attainable?
(b) What If? What if the aluminum rod were 10.02 cm in
diameter?

16. A square hole 8.00 cm along each side is cut in a sheet of

copper.  (a)  Calculate  the  change  in  the  area  of  this  hole 
if  the  temperature  of  the  sheet  is  increased  by  50.0 K. 
(b) Does this change represent an increase or a decrease
in the area enclosed by the hole?

17.

The  average  coefficient  of  volume  expansion  for  carbon
tetrachloride is 5.81 ) 10

!

4

(°C)

!

1

. If a 50.0-gal steel con-

tainer is filled completely with carbon tetrachloride when
the temperature is 10.0°C, how much will spill over when
the temperature rises to 30.0°C?

18.

At  20.0°C,  an  aluminum  ring  has  an  inner  diameter  of
5.000 0 cm and a brass rod has a diameter of 5.050 0 cm.
(a)  If  only  the  ring  is  heated,  what  temperature  must  it
reach so that it will just slip over the rod? (b) What If? If
both  are  heated  together,  what  temperature  must they
both reach so that the ring just slips over the rod? Would
this latter process work?

19.

A volumetric flask made of Pyrex is calibrated at 20.0°C. It
is filled to the 100-mL mark with 35.0°C acetone. (a) What
is  the  volume  of  the  acetone  when  it  cools  to  20.0°C? 
(b) How significant is the change in volume of the flask?

598

C H A P T E R   19 •  Temperature

20.

A concrete walk is poured on a day when the temperature
is 20.0°C in such a way that the ends are unable to move.
(a)  What  is  the  stress  in  the  cement  on  a  hot  day  of
50.0°C?  (b)  Does  the  concrete  fracture?  Take  Young’s
modulus for concrete to be 7.00 ) 10

9

N/m

2

and the com-

pressive strength to be 2.00 ) 10

9

N/m

2

.

A hollow aluminum cylinder 20.0 cm deep has an internal

capacity  of  2.000 L  at  20.0°C.  It  is  completely  filled  with
turpentine  and  then  slowly  warmed  to  80.0°C.  (a)  How
much  turpentine  overflows?  (b)  If  the  cylinder  is  then
cooled  back  to  20.0°C,  how  far  below  the  cylinder’s  rim
does the turpentine’s surface recede?

22.

A beaker made of ordinary glass contains a lead sphere of
diameter  4.00 cm  firmly  attached  to  its  bottom.  At  a  uni-
form  temperature  of  ! 10.0°C,  the  beaker  is  filled  to  the
brim  with  118 cm

3

of  mercury,  which  completely  covers

the sphere. How much mercury overflows from the beaker
if the temperature is raised to 30.0°C?

23.

A steel rod undergoes a stretching force of 500 N. Its cross-
sectional area is 2.00 cm

2

. Find the change in temperature

that  would  elongate  the  rod  by  the  same  amount  as  the
500-N force does. Tables 12.1 and 19.1 are available to you.

24.

The Golden Gate Bridge in San Francisco has a main span
of length 1.28 km—one of the longest in the world. Imag-
ine  that  a  taut  steel  wire  with  this  length  and  a  cross-sec-
tional  area  of  4.00 ) 10

!

6

m

2

is  laid  on  the  bridge  deck 

with its ends attached to the towers of the bridge, on a sum-
mer  day  when  the  temperature  of  the  wire  is  35.0°C.
(a) When winter arrives, the towers stay the same distance
apart  and  the  bridge  deck  keeps  the  same  shape  as  its  ex-
pansion  joints  open.  When  the  temperature  drops  to
!

10.0°C,  what  is  the  tension  in  the  wire?  Take  Young’s 

modulus  for  steel  to  be  20.0 ) 10

10

N/m

2

.  (b)  Permanent

deformation occurs if the stress in the steel exceeds its elas-
tic  limit  of  3.00 ) 10

8

N/m

2

.  At  what  temperature  would

this  happen?  (c)  What  If? How  would  your  answers  to 
(a)  and  (b)  change  if  the  Golden  Gate  Bridge  were  twice 
as long?

25. A certain telescope forms an image of part of a cluster of

stars  on  a  square  silicon  charge-coupled  detector  (CCD)
chip  2.00 cm  on  each  side.  A  star  field  is  focused  on  the
CCD chip when it is first turned on and its temperature is
20.0°C.  The  star  field  contains  5 342  stars  scattered  uni-
formly. To make the detector more sensitive, it is cooled to
!

100°C.  How  many  star  images  then  fit  onto  the  chip?

The  average  coefficient  of  linear  expansion  of  silicon  is
4.68 ) 10

!

6

(°C)

!

1

.

Section 19.5 Macroscopic Description of an Ideal Gas

26. Gas  is  contained  in  an  8.00-L  vessel  at  a  temperature  of

20.0°C  and  a  pressure  of  9.00 atm.  (a)  Determine  the

Note: Problem 8 in Chapter 1 can be assigned with this
section.

21.

number of moles of gas in the vessel. (b) How many mole-
cules are there in the vessel?
An automobile tire is inflated with air originally at 10.0°C
and normal atmospheric pressure. During the process, the
air is compressed to 28.0% of its original volume and the
temperature  is  increased  to  40.0°C.  (a)  What  is  the  tire
pressure? (b) After the car is driven at high speed, the tire
air temperature rises to 85.0°C and the interior volume of
the tire increases by 2.00%. What is the new tire pressure
(absolute) in pascals?

28.

A tank having a volume of 0.100 m

3

contains helium gas at

150 atm. How many balloons can the tank blow up if each
filled  balloon  is  a  sphere  0.300 m  in  diameter  at  an  ab-
solute pressure of 1.20 atm?
An auditorium has dimensions 10.0 m ) 20.0 m ) 30.0 m.
How  many  molecules  of  air  fill  the  auditorium  at  20.0°C
and a pressure of 101 kPa?

30. Imagine a baby alien playing with a spherical balloon the

size of the Earth in the outer solar system. Helium gas in-
side the balloon has a uniform temperature of 50.0 K due
to  radiation  from  the  Sun.  The  uniform  pressure  of  the
helium  is  equal  to  normal  atmospheric  pressure  on
Earth. (a)  Find  the  mass  of  the  gas  in  the  balloon. 
(b)  The  baby  blows  an  additional  mass  of  8.00 ) 10

20

kg

of helium into the balloon. At the same time, she wanders
closer to the Sun and the pressure in the balloon doubles.
Find  the  new  temperature  inside  the  balloon,  whose  vol-
ume remains constant.

31.

Just  9.00 g  of  water  is  placed  in  a  2.00-L  pressure  cooker 
and  heated  to  500°C.  What  is  the  pressure  inside  the 
container?

32. One mole of oxygen gas is at a pressure of 6.00 atm and a

temperature of 27.0°C. (a) If the gas is heated at constant
volume until the pressure triples, what is the final tempera-
ture? (b) If the gas is heated until both the pressure and
volume are doubled, what is the final temperature?

The  mass  of  a  hot-air  balloon  and  its  cargo  (not  in-

cluding  the  air  inside)  is  200 kg.  The  air  outside  is  at
10.0°C and 101 kPa. The volume of the balloon is 400 m

3

.

To what temperature must the air in the balloon be heated
before  the  balloon  will  lift  off?  (Air  density  at  10.0°C  is
1.25 kg/m

3

.)

34. Your father and your little brother are confronted with the

same  puzzle.  Your  father’s  garden  sprayer  and  your
brother’s water cannon both have tanks with a capacity of
5.00 L  (Figure  P19.34).  Your  father  inserts  a  negligible
amount  of  concentrated  insecticide  into  his  tank.  They
both  pour  in  4.00 L  of  water  and  seal  up  their  tanks,  so
that  they  also  contain  air  at  atmospheric  pressure.  Next,
each uses a hand-operated piston pump to inject more air,
until  the  absolute  pressure  in  the  tank  reaches  2.40 atm
and  it  becomes  too  difficult  to  move  the  pump  handle.
Now  each  uses  his  device  to  spray  out  water— not  air—
until the stream becomes feeble, as it does when the pres-
sure in the tank reaches 1.20 atm. Then he must pump it
up again, spray again, and so on. In order to spray out all
the water, each finds that he must pump up the tank three

33.

29.

27.

Problems

599

35. (a)  Find  the  number  of  moles  in  one  cubic  meter  of  an

ideal gas at 20.0°C and atmospheric pressure. (b) For air,
Avogadro’s  number  of  molecules  has  mass  28.9 g.  Calcu-
late the mass of one cubic meter of air. Compare the result
with the tabulated density of air.

36. The  void  fraction of  a  porous  medium  is  the  ratio  of  the

void volume to the total volume of the material. The void
is  the  hollow  space  within  the  material;  it  may  be  filled
with  a  fluid.  A  cylindrical  canister  of  diameter  2.54 cm
and height 20.0 cm is filled with activated carbon having
a void fraction of 0.765. Then it is flushed with an ideal
gas at 25.0°C and pressure 12.5 atm. How many moles of
gas  are  contained  in  the  cylinder  at  the  end  of  this
process?

37. A cube 10.0 cm on each edge contains air (with equivalent

molar mass 28.9 g/mol) at atmospheric pressure and tem-
perature 300 K. Find (a) the mass of the gas, (b) its weight,
and  (c)  the  force  it  exerts  on  each  face  of  the  cube.
(d) Comment  on  the  physical  reason  why  such  a  small
sample can exert such a great force.

38.

At 25.0 m below the surface of the sea (, # 1 025 kg/m

3

),

where  the  temperature  is  5.00°C,  a  diver  exhales  an  air
bubble having a volume of 1.00 cm

3

. If the surface temper-

ature of the sea is 20.0°C, what is the volume of the bubble
just before it breaks the surface?
The pressure gauge on a tank registers the gauge pressure,
which  is  the  difference  between  the  interior  and  exterior
pressure. When the tank is full of oxygen (O

2

), it contains

12.0 kg of the gas at a gauge pressure of 40.0 atm. Deter-
mine  the  mass  of  oxygen  that  has  been  withdrawn  from
the  tank  when  the  pressure  reading  is  25.0 atm.  Assume
that the temperature of the tank remains constant.

39.

40.

Estimate  the  mass  of  the  air  in  your  bedroom.  State  the
quantities you take as data and the value you measure or
estimate for each.

41. A popular brand of cola contains 6.50 g of carbon dioxide

dissolved in 1.00 L of soft drink. If the evaporating carbon
dioxide  is  trapped  in  a  cylinder  at  1.00 atm  and  20.0°C,
what volume does the gas occupy?

42. In  state-of-the-art  vacuum  systems,  pressures  as  low  as

10

!

9

Pa are being attained. Calculate the number of mole-

cules in a 1.00-m

3

vessel at this pressure if the temperature

is 27.0°C.

43.

A room of volume contains air having equivalent molar
mass  (in  g/mol).  If  the  temperature  of  the  room  is
raised from T

1

to T

2

, what mass of air will leave the room?

Assume  that  the  air  pressure  in  the  room  is  maintained
at P

0

.

44.

A  diving  bell  in  the  shape  of  a  cylinder  with  a  height
of 2.50 m  is  closed  at  the  upper  end  and  open  at  the
lower  end.  The  bell  is  lowered  from  air  into  sea  water
(, # 1.025 g/cm

3

).  The  air  in  the  bell  is  initially  at

20.0°C. The bell is lowered to a depth (measured to the
bottom  of  the  bell)  of  45.0  fathoms  or  82.3 m.  At  this
depth the water temperature is 4.0°C, and the bell is in
thermal  equilibrium  with  the  water.  (a)  How  high  does
sea water rise in the bell? (b) To what minimum pressure
must the air in the bell be raised to expel the water that
entered?

Additional Problems

45.

A student measures the length of a brass rod with a steel
tape at 20.0°C. The reading is 95.00 cm. What will the tape
indicate  for  the  length  of  the  rod  when  the  rod  and  the
tape are at (a) ! 15.0°C and (b) 55.0°C?

46.

The  density  of  gasoline  is  730 kg/m

3

at  0°C.  Its  average

coefficient  of  volume  expansion  is  9.60 ) 10

!

4

/°C.  If

1.00 gal of gasoline occupies 0.003 80 m

3

, how many extra

kilograms of gasoline would you get if you bought 10.0 gal
of gasoline at 0°C rather than at 20.0°C from a pump that
is not temperature compensated?
A mercury thermometer is constructed as shown in Figure
P19.47. The capillary tube has a diameter of 0.004 00 cm,

47.

Figure P19.34

T

i

 + 

T

A

T

i

h

Figure P19.47 Problems 47 and 48.

times. This is the puzzle: most of the water sprays out as a
result  of  the  second  pumping.  The  first  and  the  third
pumping-up processes seem just as difficult, but result in a
disappointingly  small  amount  of  water  coming  out.  Ac-
count for this phenomenon.

600

C H A P T E R   19 •  Temperature

and  the  bulb  has  a  diameter  of  0.250 cm.  Neglecting  the
expansion  of  the  glass,  find  the  change  in  height  of  the
mercury column that occurs with a temperature change of
30.0°C.

48.

A liquid with a coefficient of volume expansion ' just fills
a spherical shell of volume V

i

at a temperature of T

i

(see

Fig. P19.47). The shell is made of a material that has an av-
erage coefficient of linear expansion &The liquid is free
to expand into an open capillary of area projecting from
the top of the sphere. (a) If the temperature increases by
"

T,  show  that  the  liquid  rises  in  the  capillary  by  the

amount  "given  by  "# (V

i

/A)(' ! 3&)"T. (b)  For  a

typical  system,  such  as  a  mercury  thermometer,  why  is
it a good  approximation  to  neglect  the  expansion  of
the shell?

49.

Review  problem.  An  aluminum  pipe,  0.655 m  long  at
20.0°C  and  open  at  both  ends,  is  used  as  a  flute.  The
pipe  is  cooled  to  a  low  temperature  but  then  is  filled
with  air  at  20.0°C  as  soon  as  you  start  to  play  it.  After
that,  by  how  much  does  its  fundamental  frequency
change as the metal rises in temperature from 5.00°C to
20.0°C?

50.

A  cylinder  is  closed  by  a  piston  connected  to  a  spring  of
constant  2.00 ) 10

3

N/m  (see  Fig.  P19.50).  With  the

spring relaxed, the cylinder is filled with 5.00 L of gas at a
pressure  of  1.00 atm  and  a  temperature  of  20.0°C.  (a)  If
the piston has a cross-sectional area of 0.010 0 m

2

and neg-

ligible mass, how high will it rise when the temperature is
raised  to  250°C?  (b)  What  is  the  pressure  of  the  gas  at
250°C?

erated  in  the  respiration  recycling  of  three  astronauts
during one week of flight is stored in an originally empty
150-L  tank  at ! 45.0°C,  what  is  the  final  pressure  in  the
tank?

A vertical  cylinder  of  cross-sectional  area  is  fitted

with  a  tight-fitting,  frictionless  piston  of  mass  (Fig.
P19.53). (a) If moles of an ideal gas are in the cylinder at
a temperature of T, what is the height at which the pis-
ton is in equilibrium under its own weight? (b) What is the
value for if # 0.200 mol, # 400 K, # 0.008 00 m

2

,

and # 20.0 kg?

53.

h

20

°C

k

250

°C

Figure P19.50

Gas

h

m

Figure P19.53

A liquid has a density ,(a) Show that the fractional

change  in  density  for  a  change  in  temperature  "is
"

,

/, # ! ' "T. What  does  the  negative  sign  signify?

(b) Fresh water has a maximum density of 1.000 0 g/cm

3

at  4.0°C.  At  10.0°C,  its  density  is  0.999 7 g/cm

3

.  What  is

'

for water over this temperature interval?

52. Long-term space missions require reclamation of the oxy-

gen  in  the  carbon  dioxide  exhaled  by  the  crew.  In  one
method of reclamation, 1.00 mol of carbon dioxide pro-
duces  1.00 mol  of  oxygen  and  1.00 mol  of  methane  as  a
byproduct.  The  methane  is  stored  in  a  tank  under  pres-
sure and is available to control the attitude of the space-
craft  by  controlled  venting.  A  single  astronaut  exhales
1.09 kg of carbon dioxide each day. If the methane gen-

51.

54.

A bimetallic strip is made of two ribbons of dissimilar met-
als bonded together. (a) First assume the strip is originally
straight. As they are heated, the metal with the greater aver-
age coefficient of expansion expands more than the other,
forcing the strip into an arc, with the outer radius having a
greater circumference (Fig. P19.54a). Derive an expression
for the angle of bending - as a function of the initial length
of the strips, their average coefficients of linear expansion,
the change in temperature, and the separation of the cen-
ters of the strips ("r

2

!

r

1

). (b) Show that the angle of

bending decreases to zero when "decreases to zero and
also  when  the  two  average  coefficients  of  expansion  be-
come  equal.  (c)  What  If?  What  happens  if  the  strip  is
cooled? (d) Figure P19.54b shows a compact spiral bimetal-
lic strip in a home thermostat. The equation from part (a)
applies to it as well, if - is interpreted as the angle of addi-
tional bending caused by a change in temperature. The in-
ner end of the spiral strip is fixed, and the outer end is free
to move. Assume the metals are bronze and invar, the thick-
ness of the strip is 2 "# 0.500 mm, and the overall length
of the spiral strip is 20.0 cm. Find the angle through which
the  free  end  of  the  strip  turns  when  the  temperature
changes  by  one  Celsius  degree.  The  free  end  of  the  strip
supports a capsule partly filled with mercury, visible above
the strip in Figure P19.54b. When the capsule tilts, the mer-
cury shifts from one end to the other, to make or break an
electrical contact switching the furnace on or off.

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  148  149  150  151   ..