Physics For Scientists And Engineers 6E - part 167

 

  Index      Production     Physics For Scientists And Engineers 6E

 

Search            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  165  166  167  168   ..

 

 

Physics For Scientists And Engineers 6E - part 167

 

 

acting  toward  the  center  of  the  circular  path  on  a  given
particle  is  m+

2

r.  (a)  Discuss  how  a  gas  centrifuge  can  be

used to separate particles of different mass. (b) Show that
the density of the particles as a function of is

65.

Verify Equations 21.27 and 21.28 for the rms and average
speed of the molecules of a gas at a temperature T. Note
that the average value of v

n

is

Use the table of definite integrals in Appendix B (Table B.6).

66.

On the PV diagram for an ideal gas, one isothermal curve
and  one  adiabatic  curve  pass  through  each  point.  Prove
that  the  slope  of  the  adiabat  is  steeper  than  the  slope  of
the isotherm by the factor (.

67.

A sample of monatomic ideal gas occupies 5.00 L at atmos-
pheric pressure and 300 K (point in Figure P21.67). It is
heated at constant volume to 3.00 atm (point B). Then it is
allowed to expand isothermally to 1.00 atm (point C) and
at last compressed isobarically to its original state. (a) Find
the number of moles in the sample. (b) Find the tempera-
ture at points and and the volume at point C. (c) As-
suming  that  the  molar  specific  heat  does  not  depend  on
temperature, so that E

int

#

3nRT/2, find the internal en-

ergy at points AB, and C. (d) Tabulate P, V, T, and E

int

for

the  states  at  points  A,  B,  and  C.  (e)  Now  consider  the
processes BC, and A. Describe just how to
carry out each process experimentally. (f ) Find W, and
"

E

int

for  each  of  the  processes.  (g)  For  the  whole  cycle

find W, and "E

int

.

68.

This problem can help you to think about the size of mole-
cules.  In  the  city  of  Beijing  a  restaurant  keeps  a  pot  of
chicken broth simmering continuously. Every morning it is
topped  up  to  contain  10.0 L  of  water,  along  with  a  fresh
chicken,  vegetables,  and  spices.  The  soup  is  thoroughly
stirred.  The  molar  mass  of  water  is  18.0 g/mol.  (a)  Find

v

n

#

1

N

 

$

.

0

 

v

n

N

v

 dv

n(r) # n

0

e

mr

  

2

+

 

2

/2k

B

T

(a)  Explain  why  the  negative  sign  in  this  expression
ensures that / is always positive. (b) Show that if an ideal
gas is compressed isothermally, its compressibility is given
by  /

1

#

1/P.  (c)  What  If? Show  that  if  an  ideal  gas  is

compressed  adiabatically,  its  compressibility  is  given  by
/

2

#

1/(P.  (d)  Determine  values  for  /

1

and  /

2

for  a

monatomic ideal gas at a pressure of 2.00 atm.

60.

Review problem. (a) Show that the speed of sound in an
ideal gas is

where is the molar mass. Use the general expression for
the speed of sound in a fluid from Section 17.1, the defini-
tion of the bulk modulus from Section 12.4, and the result
of  Problem  59  in  this  chapter.  As  a  sound  wave  passes
through a gas, the compressions are either so rapid or so
far apart that thermal conduction is prevented by a negli-
gible  time  interval  or  by  effective  thickness  of  insulation.
The compressions and rarefactions are adiabatic. (b) Com-
pute  the  theoretical  speed  of  sound  in  air  at  20°C  and
compare  it  with  the  value  in  Table  17.1.  Take  #
28.9 g/mol. (c) Show that the speed of sound in an ideal
gas is

where is the mass of one molecule. Compare it with the
most probable, average, and rms molecular speeds.

61.

Model air as a diatomic ideal gas with # 28.9 g/mol. A
cylinder with a piston contains 1.20 kg of air at 25.0°C and
200 kPa. Energy is transferred by heat into the system as it
is allowed to expand, with the pressure rising to 400 kPa.
Throughout the expansion, the relationship between pres-
sure and volume is given by

where is a constant. (a) Find the initial volume. (b) Find
the final volume. (c) Find the final temperature. (d) Find the
work done on the air. (e) Find the energy transferred by heat.

62.

Smokin’! A  pitcher  throws  a  0.142-kg  baseball  at  47.2 m/s
(Fig. P21.62). As it travels 19.4 m, the ball slows to a speed
of  42.5 m/s  because  of  air  resistance.  Find  the  change  in
temperature of the air through which it passes. To find the
greatest  possible  temperature  change,  you  may  make  the
following  assumptions:  Air  has  a  molar  specific  heat  of 
C

P

#

7R/2  and  an  equivalent  molar  mass  of  28.9 g/mol.

The process is so rapid that the cover of the baseball acts
as  thermal  insulation,  and  the  temperature  of  the  ball  it-
self  does  not  change.  A  change  in  temperature  happens
initially only for the air in a cylinder 19.4 m in length and
3.70 cm in radius. This air is initially at 20.0°C.

For a Maxwellian gas, use a computer or programma-

ble  calculator  to  find  the  numerical  value  of  the  ratio
N

v

(v)/N

v

(v

mp

) for the following values of v# (v

mp

/50),

(v

mp

/10), (v

mp

/2), v

mp

, 2v

mp

, 10v

mp

, and 50v

mp

. Give your

results to three significant figures.

64.

Consider the particles in a gas centrifuge, a device used to
separate  particles  of  different  mass  by  whirling  them  in  a
circular  path  of  radius  r  at  angular  speed  +.  The  force

63.

CV

1/2

#

(

k

B

T

m

#

(

RT

M

Problems

665

Figure P21.62 John Lackey, the first rookie to win a World Series

game 7 in 93 years, pitches for the Anaheim Angels during the

final game of the 2002 World Series.

AP/W

orld Wide Photos

666

CHAPTE R 21 •  The Kinetic Theory of Gases

the number of molecules of water in the pot. (b) During a
certain month, 90.0% of the broth was served each day to
people  who  then  emigrated  immediately.  Of  the  water
molecules in the pot on the first day of the month, when
was the last one likely to have been ladled out of the pot?
(c) The broth has been simmering for centuries, through
wars,  earthquakes,  and  stove  repairs.  Suppose  the  water
that was in the pot long ago has thoroughly mixed into the
Earth’s hydrosphere, of mass 1.32 % 10

21

kg. How many of

the  water  molecules  originally  in  the  pot  are  likely  to  be
present in it again today?

69.

Review problem. (a) If it has enough kinetic energy, a mol-
ecule  at  the  surface  of  the  Earth  can  “escape  the  Earth’s
gravitation,” in the sense that it can continue to move away
from the Earth forever, as discussed in Section 13.7. Using
the principle of conservation of energy, show that the mini-
mum kinetic energy needed for “escape” is mgR

E

, where m

is the mass of the molecule, is the free-fall acceleration at
the surface, and R

E

is the radius of the Earth. (b) Calculate

the temperature for which the minimum escape kinetic en-
ergy  is  ten  times  the  average  kinetic  energy  of  an  oxygen
molecule.

70.

Using multiple laser beams, physicists have been able to cool
and trap sodium atoms in a small region. In one experiment
the  temperature  of  the  atoms  was  reduced  to  0.240 mK. 
(a)  Determine  the  rms  speed  of  the  sodium  atoms  at  this
temperature.  The  atoms  can  be  trapped  for  about  1.00  s.
The  trap  has  a  linear  dimension  of  roughly  1.00 cm. 
(b) Approximately how long would it take an atom to wan-
der out of the trap region if there were no trapping action?

Answers to Quick Quizzes

21.1 (b).  The  average  translational  kinetic  energy  per  mole-

cule is a function only of temperature.

21.2 (a).  Because  there  are  twice  as  many  molecules  and  the

temperature of both containers is the same, the total en-
ergy in B is twice that in A.

21.3 (b).  Because  both  containers  hold  the  same  type  of  gas,

the rms speed is a function only of temperature.

21.4 (a).  According  to  Equation  21.10,  E

int

is  a  function  of

temperature only. Because the temperature increases, the
internal energy increases.

21.5 (c). Along an isotherm, is constant by definition. There-

fore, the internal energy of the gas does not change.

21.6 (d).  The  value  of  29.1 J/mol & K  is  7R/2.  According  to

Figure 21.7, this suggests that all three types of motion are
occurring.

21.7 (c). The highest possible value of C

V

for a diatomic gas is

7R/2, so the gas must be polyatomic.

21.8 (a). Because the hydrogen atoms are lighter than the ni-

trogen molecules, they move with a higher average speed
and the distribution curve is stretched out more along the
horizontal  axis.  See  Equation  21.26  for a  mathematical
statement of the dependence of N

v

on m.

P(atm)

3

0

5

10

V(L)

B

A

C

2

1

15

Figure P21.67

By permission of John Hart and Creators Syndicate, Inc.

Heat Engines, Entropy, and the

Second Law of Thermodynamics

C H A P T E R   O U T L I N E

22.1 Heat Engines and the Second

Law of Thermodynamics

22.2 Heat Pumps and Refrigerators

22.3 Reversible and Irreversible

Processes

22.4 The Carnot Engine

22.5 Gasoline and Diesel Engines

22.6 Entropy

22.7 Entropy Changes in

Irreversible Processes

22.8 Entropy on a Microscopic

Scale

Chapter 22

This cutaway image of an automobile engine shows two pistons that have work done on

them by an explosive mixture of air and fuel, ultimately leading to the motion of the
automobile. This apparatus can be modeled as a heat engine, which we study in this chapter.
(Courtesy of Ford Motor Company)

667

668

T

he  first  law  of  thermodynamics,  which  we  studied  in  Chapter  20,  is  a  statement  of

conservation of energy. This law states that a change in internal energy in a system can
occur  as  a  result  of  energy  transfer  by  heat  or  by  work,  or  by  both.  As  was  stated  in
Chapter 20, the law makes no distinction between the results of heat and the results of
work—either heat or work can cause a change in internal energy. However, there is an
important distinction between heat and work that is not evident from the first law. One
manifestation of this distinction is that it is impossible to design a device that, operat-
ing in a cyclic fashion, takes in energy by heat and expels an equal amount of energy by
work. A cyclic device that takes in energy by heat and expels a fraction of this energy by
work is possible and is called a heat engine.

Although the first law of thermodynamics is very important, it makes no distinc-

tion  between  processes  that  occur  spontaneously  and  those  that  do  not.  However,
only  certain  types  of  energy-conversion  and  energy-transfer  processes  actually  take
place  in  nature.  The  second  law  of  thermodynamics,  the  major  topic  in  this  chapter,
establishes which processes do and which do not occur. The following are examples
of processes that do not violate the principle of conservation of energy if they pro-
ceed in either direction, but are observed to proceed in only one direction, governed
by the second law:

• When  two  objects  at  different  temperatures  are  placed  in  thermal  contact  with

each other, the net transfer of energy by heat is always from the warmer object to
the cooler object, never from the cooler to the warmer.

• A rubber ball dropped to the ground bounces several times and eventually comes

to  rest,  but  a  ball  lying  on  the  ground  never  gathers  internal  energy  from  the
ground and begins bouncing on its own.

• An oscillating pendulum eventually comes to rest because of collisions with air mol-

ecules and friction at the point of suspension. The mechanical energy of the system
is converted to internal energy in the air, the pendulum, and the suspension; the
reverse conversion of energy never occurs.

All these processes are irreversible—that is, they are processes that occur naturally in

one direction only. No irreversible process has ever been observed to run backward—if
it were to do so, it would violate the second law of thermodynamics.

1

From  an  engineering  standpoint,  perhaps  the  most  important  implication  of  the

second law is the limited efficiency of heat engines. The second law states that a ma-
chine that operates in a cycle, taking in energy by heat and expelling an equal amount
of energy by work, cannot be constructed.

1

Although we have never observed a process occurring in the time-reversed sense, it is possible for it to

occur.  As  we  shall  see  later  in  the  chapter,  however,  the  probability  of  such  a  process  occurring  is
infinitesimally small. From this viewpoint, we say that processes occur with a vastly greater probability in
one direction than in the opposite direction.

Lord Kelvin

British physicist and
mathematician (1824–1907)

Born William Thomson in Belfast,

Kelvin was the first to propose

the use of an absolute scale of

temperature. The Kelvin

temperature scale is named in

his honor. Kelvin’s work in

thermodynamics led to the idea

that energy cannot pass

spontaneously from a colder

object to a hotter object.
(J. L. Charmet/SPL/Photo
Researchers, Inc.)

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  165  166  167  168   ..