Physics For Scientists And Engineers 6E - part 159

 

  Index      Production     Physics For Scientists And Engineers 6E

 

Search            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  157  158  159  160   ..

 

 

Physics For Scientists And Engineers 6E - part 159

 

 

Problems

633

tank  is  filled  with  200 g  of  water.  What  is  the  increase  in
the temperature of the water after the blocks fall through
a distance of 3.00 m?

Section 20.2 Specific Heat and Calorimetry

The temperature of a silver bar rises by 10.0°C when it ab-
sorbs  1.23 kJ  of  energy  by  heat.  The  mass  of  the  bar  is
525 g. Determine the specific heat of silver.

4. A 50.0-g sample of copper is at 25.0°C. If 1 200 J of energy

is added to it by heat, what is the final temperature of the
copper?

5. Systematic  use  of  solar  energy  can  yield  a  large  saving  in

the cost of winter space heating for a typical house in the
north central United States. If the house has good insula-
tion, you may model it as losing energy by heat steadily at
the rate 6 000 W on a day in April when the average exte-
rior temperature is 4°C, and when the conventional heat-
ing system is not used at all. The passive solar energy col-
lector can consist simply of very large windows in a room
facing south. Sunlight shining in during the daytime is ab-
sorbed by the floor, interior walls, and objects in the room,
raising their temperature to 38°C. As the sun goes down,
insulating  draperies  or  shutters  are  closed  over  the  win-
dows.  During  the  period  between  5:00 

P

.

M

.  and  7:00 

A

.

M

.

the temperature of the house will drop, and a sufficiently
large “thermal mass” is required to keep it from dropping
too far. The thermal mass can be a large quantity of stone
(with specific heat 850 J/kg $ °C) in the floor and the inte-
rior  walls  exposed  to  sunlight.  What  mass  of  stone  is  re-
quired  if  the  temperature  is  not  to  drop  below  18°C
overnight?

6. The  Nova laser  at  Lawrence  Livermore  National  Labora-

tory in California is used in studies of initiating controlled
nuclear  fusion  (Section  45.4).  It  can  deliver  a  power  of
1.60 % 10

13

W over a time interval of 2.50 ns. Compare its

energy output in one such time interval to the energy re-
quired to make a pot of tea by warming 0.800 kg of water
from 20.0°C to 100°C.

A 1.50-kg iron horseshoe initially at 600°C is dropped

into a bucket containing 20.0 kg of water at 25.0°C. What
is the final temperature? (Ignore the heat capacity of the
container,  and  assume  that  a  negligible  amount  of  water
boils away.)

8.

An aluminum cup of mass 200 g contains 800 g of water
in  thermal  equilibrium  at  80.0°C.  The  combination  of
cup  and  water  is  cooled  uniformly  so  that  the  tempera-
ture decreases by 1.50°C per minute. At what rate is en-
ergy  being  removed  by  heat?  Express  your  answer  in
watts.

9.

An  aluminum  calorimeter  with  a  mass  of  100 g  contains
250 g  of  water.  The  calorimeter  and  water  are  in  thermal
equilibrium at 10.0°C. Two metallic blocks are placed into
the water. One is a 50.0-g piece of copper at 80.0°C. The
other block has a mass of 70.0 g and is originally at a tem-
perature  of  100°C.  The  entire  system  stabilizes  at  a  final
temperature of 20.0°C. (a) Determine the specific heat of
the  unknown  sample.  (b)  Guess  the  material  of  the  un-
known, using the data in Table 20.1.

7.

3.

10.

A  3.00-g  copper  penny  at  25.0°C  drops  50.0 m  to  the
ground. (a) Assuming that 60.0% of the change in poten-
tial energy of the penny–Earth system goes into increasing
the internal energy of the penny, determine its final tem-
perature. (b) What If ? Does the result depend on the mass
of the penny? Explain.

11.

A combination of 0.250 kg of water at 20.0°C, 0.400 kg of
aluminum  at  26.0°C,  and  0.100 kg  of  copper  at  100°C  is
mixed  in  an  insulated  container  and  allowed  to  come  to
thermal  equilibrium.  Ignore  any  energy  transfer  to  or
from  the  container  and  determine  the  final  temperature
of the mixture.

12.

If water with a mass m

h

at temperature T

h

is poured into an

aluminum cup of mass m

Al

containing mass m

c

of water at

T

c

, where T

h

(

T

c

, what is the equilibrium temperature of

the system?

13.

A water heater is operated by solar power. If the solar col-
lector has an area of 6.00 m

2

and the intensity delivered by

sunlight  is  550 W/m

2

,  how  long  does  it  take  to  increase

the  temperature  of  1.00 m

3

of  water  from  20.0°C  to

60.0°C?

14.

Two thermally insulated vessels are connected by a narrow
tube fitted with a valve that is initially closed. One vessel, of
volume 16.8 L, contains oxygen at a temperature of 300 K
and  a  pressure  of  1.75 atm.  The  other  vessel,  of  volume
22.4 L,  contains  oxygen  at  a  temperature  of  450 K  and  a
pressure of 2.25 atm. When the valve is opened, the gases
in the two vessels mix, and the temperature and pressure
become uniform throughout. (a) What is the final temper-
ature? (b) What is the final pressure?

Section 20.3 Latent Heat 

15. How much energy is required to change a 40.0-g ice cube

from ice at &10.0°C to steam at 110°C?

16. A  50.0-g  copper  calorimeter  contains  250 g  of  water  at

20.0°C. How much steam must be condensed into the wa-
ter  if  the  final  temperature  of  the  system  is  to  reach
50.0°C?
A 3.00-g lead bullet at 30.0°C is fired at a speed of 240 m/s
into  a  large  block  of  ice  at  0°C,  in  which  it  becomes  em-
bedded. What quantity of ice melts?

18.

Steam at 100°C is added to ice at 0°C. (a) Find the amount
of ice melted and the final temperature when the mass of
steam is 10.0 g and the mass of ice is 50.0 g. (b) What If ?
Repeat when the mass of steam is 1.00 g and the mass of
ice is 50.0 g.

19.

A 1.00-kg block of copper at 20.0°C is dropped into a large
vessel of liquid nitrogen at 77.3 K. How many kilograms of
nitrogen boil away by the time the copper reaches 77.3 K?
(The  specific  heat  of  copper  is  0.092 0 cal/g $ °C.  The  la-
tent heat of vaporization of nitrogen is 48.0 cal/g.)

20. Assume  that  a  hailstone  at  0°C  falls  through  air  at  a  uni-

form  temperature  of  0°C  and  lands  on  a  sidewalk  also  at
this  temperature.  From  what  initial  height  must  the  hail-
stone fall in order to entirely melt on impact?

In an insulated vessel, 250 g of ice at 0°C is added to

600 g of water at 18.0°C. (a) What is the final temperature

21.

17.

of the system? (b) How much ice remains when the system
reaches equilibrium?

22.

Review problem. Two speeding lead bullets, each of mass
5.00 g,  and  at  temperature  20.0°C,  collide  head-on  at
speeds of 500 m/s each. Assuming a perfectly inelastic col-
lision and no loss of energy by heat to the atmosphere, de-
scribe the final state of the two-bullet system.

Section 20.4 Work and Heat in Thermodynamic

Processes

A sample of ideal gas is expanded to twice its original

volume  of  1.00 m

3

in  a  quasi-static  process  for  which

! ,V

2

,  with  , ! 5.00 atm/m

6

,  as  shown  in  Figure

P20.23. How much work is done on the expanding gas?

23.

24.

(a) Determine the work done on a fluid that expands from
to  as  indicated  in  Figure  P20.24.  (b)  What  If?  How
much  work  is  performed  on  the  fluid  if  it  is  compressed
from to along the same path?

An ideal gas is enclosed in a cylinder with a movable

piston on top of it. The piston has a mass of 8 000 g and
an area of 5.00 cm

2

and is free to slide up and down, keep-

ing  the  pressure  of  the  gas  constant.  How  much  work  is
done on the gas as the temperature of 0.200 mol of the gas
is raised from 20.0°C to 300°C?

26. An  ideal  gas  is  enclosed  in  a  cylinder  that  has  a  movable

piston on top. The piston has a mass and an area and
is free to slide up and down, keeping the pressure of the
gas  constant.  How  much  work  is  done  on  the  gas  as  the
temperature of mol of the gas is raised from T

1

to T

2

?

25.

27.

One  mole  of  an  ideal  gas  is  heated  slowly  so  that  it  goes
from the PV state (P

i

V

i

) to (3P

i

, 3V

i

) in such a way that the

pressure  is  directly  proportional  to  the  volume.  (a)  How
much  work  is  done  on  the  gas  in  the  process?  (b)  How  is
the temperature of the gas related to its volume during this
process?

Section 20.5 The First Law of Thermodynamics

28. A  gas  is  compressed  at  a  constant  pressure  of  0.800 atm

from  9.00 L  to  2.00 L.  In  the  process,  400 J  of  energy
leaves  the  gas  by  heat.  (a)  What  is  the  work  done  on  the
gas? (b) What is the change in its internal energy?
A thermodynamic system undergoes a process in which its
internal energy decreases by 500 J. At the same time, 220 J
of work is done on the system. Find the energy transferred
to or from it by heat.

30. A gas is taken through the cyclic process described in Fig-

ure P20.30. (a) Find the net energy transferred to the sys-
tem by heat during one complete cycle. (b) What If? If the
cycle  is  reversed—that  is,  the  process  follows  the  path
ACBA—what is the net energy input per cycle by heat?

29.

31. Consider the cyclic process depicted in Figure P20.30. If Q

is negative for the process BC and #E

int

is negative for the

process CA, what are the signs of W, and #E

int

that are

associated with each process?

32.

A sample of an ideal gas goes through the process shown
in  Figure  P20.32.  From  to  B,  the  process  is  adiabatic;
from  to  C,  it  is  isobaric  with  100 kJ  of  energy  entering
the system by heat.  From to D, the process is isothermal;
from to A, it is isobaric with 150 kJ of energy leaving the
system  by  heat.  Determine  the  difference  in  internal  en-
ergy E

int, B

&

E

int, A

.

634

C H A P T E R   2 0     •     Heat and the First Law of Thermodynamics

P

i

f

P = 

α

V

2

V

2.00 m

3

1.00 m

3

O

α

Figure P20.23

× 10

6

P(Pa)

× 10

6

× 10

6

i

f

V(m

3

)

4

3

2

1

0

Figure P20.24

4

6

2

8

P(kPa)

B

C

A

6

8

10

V(m

3

)

Figure P20.30 Problems 30 and 31.

1.0

3.0

P(atm)

0.090 0.20

0.40

1.2

A

C

B

D

V(m

3

)

Figure P20.32

Problems

635

33.

A sample of an ideal gas is in a vertical cylinder fitted with
a  piston.  As  5.79 kJ  of  energy  is  transferred  to  the  gas  by
heat  to  raise  its  temperature,  the  weight  on  the  piston  is
adjusted so that the state of the gas changes from point A
to  point  along  the  semicircle  shown  in  Figure  P20.33.
Find the change in internal energy of the gas. 

Section 20.6 Some Applications of the First Law 

of Thermodynamics

34.

One mole of an ideal gas does 3 000 J of work on its sur-
roundings as it expands isothermally to a final pressure of
1.00 atm and volume of 25.0 L. Determine (a) the initial
volume and (b) the temperature of the gas.
An ideal gas initially at 300 K undergoes an isobaric expan-
sion  at  2.50 kPa.  If  the  volume  increases  from  1.00 m

3

to

3.00 m

3

and 12.5 kJ is transferred to the gas by heat, what

are (a) the change in its internal energy and (b) its final
temperature?

36.

A 1.00-kg block of aluminum is heated at atmospheric pres-
sure so that its temperature increases from 22.0°C to 40.0°C.
Find  (a)  the  work  done  on  the  aluminum,  (b)  the  energy
added to it by heat, and (c) the change in its internal energy.
How  much  work  is  done  on  the  steam  when  1.00 mol  of
water  at  100°C  boils  and  becomes  1.00 mol  of  steam  at
100°C at 1.00 atm pressure? Assuming the steam to behave
as an ideal gas, determine the change in internal energy of
the material as it vaporizes.

38.

An ideal gas initially at P

i

V

i

, and T

i

is taken through a cy-

cle as in Figure P20.38. (a) Find the net work done on the
gas per cycle. (b) What is the net energy added by heat to
the system per cycle? (c) Obtain a numerical value for the
net work done per cycle for 1.00 mol of gas initially at 0°C.

37.

35.

A  2.00-mol  sample  of  helium  gas  initially  at  300 K  and
0.400 atm  is  compressed  isothermally  to  1.20 atm.  Noting
that the helium behaves as an ideal gas, find (a) the final
volume  of  the  gas,  (b)  the  work  done  on  the  gas,  and
(c) the energy transferred by heat. 

40.

In  Figure  P20.40,  the  change  in  internal  energy  of  a  gas

that is taken from to is " 800 J. The work done on the
gas along path ABC is &500 J. (a) How much energy must
be added to the system by heat as it goes from through B
to  ?  (b)  If  the  pressure  at  point  is  five  times  that  of
point  C, what  is  the  work  done  on  the  system  in  going
from  to  D?  (c)  What  is  the  energy  exchanged  with  the
surroundings by heat as the cycle goes from to along
the green path? (d) If the change in internal energy in go-
ing from point to point is " 500 J, how much energy
must be added to the system by heat as it goes from point
to point ?

39.

Section 20.7 Energy-Transfer Mechanisms

41.

A box with a total surface area of 1.20 m

2

and a wall thick-

ness of 4.00 cm is made of an insulating material. A 10.0-W
electric heater inside the box maintains the inside temper-
ature  at  15.0°C  above  the  outside  temperature.  Find  the
thermal conductivity of the insulating material.

42. A  glass  window  pane  has  an  area  of  3.00 m

2

and  a  thick-

ness of 0.600 cm. If the temperature difference between its
faces is 25.0°C, what is the rate of energy transfer by con-
duction through the window? 
A bar of gold is in thermal contact with a bar of silver of
the  same  length  and  area  (Fig.  P20.43).  One  end  of  the
compound bar is maintained at 80.0°C while the opposite
end is at 30.0°C. When the energy transfer reaches steady
state, what is the temperature at the junction?

43.

44. A  thermal  window  with  an  area  of  6.00 m

2

is  constructed

of  two  layers  of  glass,  each  4.00 mm  thick,  and  separated
from each other by an air space of 5.00 mm. If the inside

P(kPa)

500

300

0

0

1.2

3.6

6.0 V(L)

A

B

400

200

100

Figure P20.33

B

C

D

A

P

P

i

3P

i

V

i

3V

i

V

Figure P20.38

P

V

A

B

D

C

Figure P20.40

Insulation

Au

Ag

30.0

°C

80.0

°C

Figure P20.43

636

C H A P T E R   2 0     •     Heat and the First Law of Thermodynamics

surface  is  at  20.0°C  and  the  outside  is  at  &30.0°C,  what
is the  rate  of  energy  transfer  by  conduction  through  the
window?

45. A power transistor is a solid-state electronic device. Assume

that  energy  entering  the  device  at  the  rate  of  1.50 W  by
electrical  transmission  causes  the  internal  energy  of  the
device to increase. The surface area of the transistor is so
small that it tends to overheat. To prevent overheating, the
transistor is attached to a larger metal heat sink with fins.
The  temperature  of  the  heat  sink  remains  constant  at
35.0°C under steady-state conditions. The transistor is elec-
trically insulated from the heat sink by a rectangular sheet
of mica measuring 8.25 mm by 6.25 mm, and 0.085 2 mm
thick.  The  thermal  conductivity  of  mica  is  equal  to 
0.075 3 W/m $ °C.  What  is  the  operating  temperature  of
the transistor? 

46.

Calculate the value of (a) a window made of a single pane
of flat glass  in. thick, and (b) a thermal window made of
two single panes each  in. thick and separated by a  -in. air
space.  (c)  By  what  factor  is  the  transfer  of  energy  by  heat
through the window reduced by using the thermal window
instead of the single pane window?

47. The  surface  of  the  Sun  has  a  temperature  of  about

5 800 K. The radius of the Sun is 6.96 % 10

8

m. Calculate

the total energy radiated by the Sun each second. Assume
that the emissivity of the Sun is 0.965.

48.

A large hot pizza floats in outer space. What is the order of
magnitude of (a) its rate of energy loss? (b) its rate of tem-
perature change? List the quantities you estimate and the
value you estimate for each.

49. The  tungsten  filament  of  a  certain  100-W  light  bulb  radi-

ates  2.00 W  of  light.  (The  other  98 W  is  carried  away  by
convection  and  conduction.)  The  filament  has  a  surface
area of 0.250 mm

2

and an emissivity of 0.950. Find the fila-

ment’s  temperature.  (The  melting  point  of  tungsten  is 
3 683 K.)

50.

At high noon, the Sun delivers 1 000 W to each square me-
ter of a blacktop road. If the hot asphalt loses energy only
by radiation, what is its equilibrium temperature?

51.

The  intensity  of  solar  radiation  reaching  the  top  of  the
Earth’s  atmosphere  is  1 340 W/m

2

.  The  temperature  of

the Earth is affected by the so-called greenhouse effect of
the atmosphere. That effect makes our planet’s emissivity
for visible light higher than its emissivity for infrared light.
For comparison, consider a spherical object with no atmos-
phere,  at  the  same  distance  from  the  Sun  as  the  Earth. 
Assume that its emissivity is the same for all kinds of elec-
tromagnetic  waves  and  that  its  temperature  is  uniform
over  its  surface.  Identify  the  projected  area  over  which  it
absorbs  sunlight  and  the  surface  area  over  which  it  radi-
ates. Compute its equilibrium temperature.  Chilly, isn’t it?
Your calculation applies to (a) the average temperature of
the  Moon,  (b)  astronauts  in  mortal  danger  aboard  the
crippled  Apollo  13 spacecraft,  and  (c)  global  catastrophe
on  the  Earth  if  widespread  fires  should  cause  a  layer  of
soot to accumulate throughout the upper atmosphere, so
that  most  of  the  radiation  from  the  Sun  were  absorbed
there rather than at the surface below the atmosphere.

1

4

1

8

1

8

Additional Problems

52. Liquid  nitrogen  with  a  mass  of  100 g  at  77.3 K  is  stirred

into a beaker containing 200 g of 5.00°C water. If the nitro-
gen leaves the solution as soon as it turns to gas, how much
water freezes? (The latent heat of vaporization of nitrogen
is  48.0 cal/g,  and  the  latent  heat  of  fusion  of  water  is
79.6 cal/g.)

53.

A  75.0-kg  cross-country  skier  moves  across  the  snow  (Fig.
P20.53).  The  coefficient  of  friction  between  the  skis  and
the snow is 0.200. Assume that all the snow beneath his skis
is at 0°C and that all the internal energy generated by fric-
tion  is  added  to  the  snow,  which  sticks  to  his  skis  until  it
melts.  How  far  would  he  have  to  ski  to  melt  1.00 kg  of
snow?

54.

On  a  cold  winter  day  you  buy  roasted  chestnuts  from  a
street vendor. Into the pocket of your down parka you put
the change he gives you—coins constituting 9.00 g of cop-
per at &12.0°C. Your pocket already contains 14.0 g of sil-
ver coins at 30.0°C. A short time later the temperature of
the  copper  coins  is  4.00°C  and  is  increasing  at  a  rate  of
0.500°C/s. At this time, (a) what is the temperature of the
silver coins, and (b) at what rate is it changing?
An  aluminum  rod  0.500 m  in  length  and  with  a  cross-
sectional area of 2.50 cm

2

is inserted into a thermally insu-

lated vessel containing liquid helium at 4.20 K. The rod is
initially at 300 K. (a) If half of the rod is inserted into the
helium, how many liters of helium boil off by the time the
inserted half cools to 4.20 K ? (Assume the upper half does
not yet cool.) (b) If the upper end of the rod is maintained
at 300 K, what is the approximate boil-off rate of liquid he-
lium  after  the  lower  half  has  reached  4.20 K?  (Aluminum
has thermal conductivity of 31.0 J/s $ cm $ K at 4.2 K; ignore
its temperature variation. Aluminum has a specific heat of
0.210 cal/g $ °C  and  density  of  2.70 g/cm

3

.  The  density  of

liquid helium is 0.125 g/cm

3

.)

56.

A  copper  ring  (with  mass  of  25.0 g,  coefficient  of  linear
expansion  of  1.70 % 10

&

5

(°C)

&

1

,  and  specific  heat  of

9.24 % 10

&

2

cal/g $ °C)  has  a  diameter  of  5.00 cm  at  its

temperature  of  15.0°C.  A  spherical  aluminum  shell  (with
mass  10.9 g,  coefficient  of  linear  expansion  2.40 % 10

&

5

(°C)

&

1

, and specific heat 0.215 cal/g$°C) has a diameter of

5.01 cm at a temperature higher than 15.0°C. The sphere
is  placed  on  top  of  the  horizontal  ring,  and  the  two  are
allowed  to  come  to  thermal  equilibrium  without  any

55.

Figure P20.53

Nathan Bilow/Leo de Wys, Inc.

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  157  158  159  160   ..