Physics For Scientists And Engineers 6E - part 175

 

  Index      Production     Physics For Scientists And Engineers 6E

 

Search            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  173  174  175  176   ..

 

 

Physics For Scientists And Engineers 6E - part 175

 

 

temperature is 22.0°C. The refrigerator can convert 30.0 g
of water at 22.0°C to 30.0 g of ice at " 20.0°C each minute.
What input power is required? Give your answer in watts.

9. In  1993  the  federal  government  instituted  a  requirement

that  all  room  air  conditioners  sold  in  the  United  States
must have an energy efficiency ratio (EER) of 10 or higher.
The EER is defined as the ratio of the cooling capacity of
the  air  conditioner,  measured  in  Btu/h,  to  its  electrical
power requirement in watts. (a) Convert the EER of 10.0 to
dimensionless  form,  using  the  conversion  1 Btu ! 1 055 J.
(b)  What  is  the  appropriate  name  for  this  dimensionless
quantity? (c) In the 1970s it was common to find room air
conditioners with EERs of 5 or lower. Compare the operat-
ing  costs  for  10 000-Btu/h  air  conditioners  with  EERs  of
5.00  and  10.0.  Assume  that  each  air  conditioner  operates
for  1 500 h  during  the  summer  in  a  city  where  electricity
costs 10.0¢ per kWh.

Section 22.3 Reversible and Irreversible Processes
Section 22.4 The Carnot Engine

10. A  Carnot  engine  has  a  power  output  of  150 kW.  The  en-

gine operates between two reservoirs at 20.0°C and 500°C.
(a) How much energy does it take in per hour? (b) How
much energy is lost per hour in its exhaust?

One of the most efficient heat engines ever built is a steam
turbine  in  the  Ohio  valley,  operating  between  430°C  and
1 870°C  on  energy  from  West  Virginia  coal  to  produce
electricity for the Midwest. (a) What is its maximum theo-
retical efficiency? (b) The actual efficiency of the engine is
42.0%. How much useful power does the engine deliver if
it takes in 1.40 ' 10

5

J of energy each second from its hot

reservoir?

12.

A heat engine operating between 200°C and 80.0°C achieves
20.0%  of  the  maximum  possible  efficiency.  What  energy
input will enable the engine to perform 10.0 kJ of work?

An  ideal  gas  is  taken  through  a  Carnot  cycle.  The

isothermal expansion occurs at 250°C, and the isothermal
compression takes place at 50.0°C. The gas takes in 1 200 J
of energy from the hot reservoir during the isothermal ex-
pansion. Find (a) the energy expelled to the cold reservoir
in each cycle and (b) the net work done by the gas in each
cycle.

14. The  exhaust  temperature  of  a  Carnot  heat  engine  is

300°C. What is the intake temperature if the efficiency of
the engine is 30.0%?

15.

A Carnot heat engine uses a steam boiler at 100°C as the
high-temperature reservoir. The low-temperature reservoir
is the outside environment at 20.0°C. Energy is exhausted
to  the  low-temperature  reservoir  at  the  rate  of  15.4 W.
(a) Determine the useful power output of the heat engine.
(b) How much steam will it cause to condense in the high-
temperature reservoir in 1.00 h?

16. A  power  plant  operates  at  a  32.0%  efficiency  during  the

summer when the sea water used for cooling is at 20.0°C.
The plant uses 350°C steam to drive turbines. If the plant’s
efficiency changes in the same proportion as the ideal effi-

13.

11.

ciency, what would be the plant’s efficiency in the winter,
when the sea water is 10.0°C?

17.

Argon enters a turbine at a rate of 80.0 kg/min, a temper-
ature of 800°C and a pressure of 1.50 MPa. It expands adi-
abatically  as  it  pushes  on  the  turbine  blades  and  exits  at
pressure  300 kPa.  (a)  Calculate  its  temperature  at  exit.
(b) Calculate the (maximum) power output of the turning
turbine.  (c)  The  turbine  is  one  component  of  a  model
closed-cycle  gas  turbine  engine.  Calculate  the  maximum
efficiency of the engine.

18.

An  electric  power  plant  that  would  make  use  of  the  tem-
perature  gradient  in  the  ocean  has  been  proposed.  The
system is to operate between 20.0°C (surface water temper-
ature) and 5.00°C (water temperature at a depth of about
1 km).  (a)  What  is  the  maximum  efficiency  of  such  a
system?  (b)  If  the  useful  power  output  of  the  plant  is
75.0 MW,  how  much  energy  is  taken  in  from  the  warm
reservoir  per  hour?  (c)  In  view  of  your  answer  to  part
(a), do  you  think  such  a  system  is  worthwhile?  Note  that
the “fuel” is free.

19.

Here  is  a  clever  idea.  Suppose  you  build  a  two-engine
device such that the exhaust energy output from one heat
engine is the input energy for a second heat engine. We
say that the two engines are running in series. Let e

1

and e

2

represent  the  efficiencies  of  the  two  engines.  (a)  The
overall  efficiency  of  the  two-engine  device  is  defined  as
the  total  work  output  divided  by  the  energy  put  into  the
first  engine  by  heat.  Show  that  the  overall  efficiency  is
given by

e

1

&

e

2

"

e

1

e

2

(b) What If? Assume the two engines are Carnot engines.
Engine  1  operates  between  temperatures  T

h

and  T

i

.  The

gas in engine 2 varies in temperature between T

i

and T

c

.

In terms of the temperatures, what is the efficiency of the
combination  engine?  (c)  What  value  of  the  intermediate
temperature  T

i

will  result  in  equal  work  being  done  by

each of the two engines in series? (d) What value of T

i

will

result in each of the two engines in series having the same
efficiency?

20.

A  20.0%-efficient  real  engine  is  used  to  speed  up  a  train
from  rest  to  5.00 m/s.  It  is  known  that  an  ideal  (Carnot)
engine using the same cold and hot reservoirs would accel-
erate the same train from rest to a speed of 6.50 m/s using
the same amount of fuel. The engines use air at 300 K as a
cold reservoir. Find the temperature of the steam serving
as the hot reservoir.

21.

A firebox is at 750 K, and the ambient temperature is 300 K.
The  efficiency  of  a  Carnot  engine  doing  150 J  of  work  as
it transports  energy  between  these  constant-temperature
baths  is  60.0%.  The  Carnot  engine  must  take  in  energy
150 J/0.600 ! 250 J  from  the  hot  reservoir  and  must  put
out 100 J of energy by heat into the environment. To follow
Carnot’s reasoning, suppose that some other heat engine S
could have efficiency 70.0%. (a) Find the energy input and
wasted energy output of engine S as it does 150 J of work.
(b) Let engine S operate as in part (a) and run the Carnot
engine in reverse. Find the total energy the firebox puts out
as both engines operate together, and the total energy trans-

Problems

697

ferred  to  the  environment.  Show  that  the  Clausius  state-
ment  of  the  second  law  of  thermodynamics  is  violated. 
(c) Find the energy input and work output of engine S as it
puts out exhaust energy of 100 J. (d) Let engine S operate
as in (c) and contribute 150 J of its work output to running
the Carnot engine in reverse. Find the total energy the fire-
box  puts  out  as  both  engines  operate  together,  the  total
work  output,  and  the  total  energy  transferred  to  the  envi-
ronment. Show that the Kelvin–Planck statement of the sec-
ond  law  is  violated.  Thus  our  assumption  about  the  effi-
ciency  of  engine  S  must  be  false.  (e)  Let  the  engines
operate together through one cycle as in part (d). Find the
change  in  entropy  of  the  Universe.  Show  that  the  entropy
statement of the second law is violated.

22.

At  point  in  a  Carnot  cycle,  2.34 mol  of  a  monatomic
ideal gas has a pressure of 1 400 kPa, a volume of 10.0 L,
and  a  temperature  of  720 K.  It  expands  isothermally  to
point B, and then expands adiabatically to point where
its  volume  is  24.0 L.  An  isothermal  compression  brings  it
to point D, where its volume is 15.0 L. An adiabatic process
returns the gas to point A. (a) Determine all the unknown
pressures,  volumes  and  temperatures  as  you  fill  in  the
following table:

26.

A heat pump, shown in Figure P22.26, is essentially an air
conditioner  installed  backward.  It  extracts  energy  from
colder air outside and deposits it in a warmer room. Sup-
pose that the ratio of the actual energy entering the room
to the work done by the device’s motor is 10.0% of the the-
oretical  maximum  ratio.  Determine  the  energy  entering
the room per joule of work done by the motor, given that
the inside temperature is 20.0°C and the outside tempera-
ture is " 5.00°C.

How  much  work  does  an  ideal  Carnot  refrigerator

require to remove 1.00 J of energy from helium at 4.00 K
and  reject  this  energy  to  a  room-temperature  (293-K)
environment?

28. A refrigerator maintains a temperature of 0°C in the cold

compartment  with  a  room  temperature  of  25.0°C.  It
removes energy from the cold compartment at the rate of
8 000 kJ/h.  (a)  What  minimum  power  is  required  to
operate  the  refrigerator?  (b)  The  refrigerator  exhausts
energy into the room at what rate?

29. If a 35.0%-efficient Carnot heat engine (Fig. 22.2) is run in

reverse so as to form a refrigerator (Fig. 22.5), what would
be this refrigerator’s coefficient of performance?

30.

Two  Carnot  engines  have  the  same  efficiency.  One  engine
runs in reverse as a heat pump, and the other runs in reverse
as a refrigerator. The coefficient of performance of the heat
pump  is  1.50  times  the  coefficient  of  performance  of  the
refrigerator. Find (a) the coefficient of performance of the
refrigerator, (b) the coefficient of performance of the heat
pump, and (c) the efficiency of each heat engine.

Section 22.5 Gasoline and Diesel Engines

In a cylinder of an automobile engine, just after combus-
tion, the gas is confined to a volume of 50.0 cm

3

and has

an initial pressure of 3.00 ' 10

6

Pa. The piston moves out-

ward  to  a  final  volume  of  300 cm

3

,  and  the  gas  expands

without  energy  loss  by  heat.  (a)  If  * ! 1.40  for  the  gas,
what is the final pressure? (b) How much work is done by
the gas in expanding?

32. A  gasoline  engine  has  a  compression  ratio  of  6.00  and

uses a gas for which * ! 1.40. (a) What is the efficiency

31.

27.

698

C H A P T E R   2 2     •     Heat Engines, Entropy, and the Second Law of Thermodynamics

Q

h

Inside

T

h

Outside

T

c

Q

c

Heat

pump

Figure P22.26

P

V

T

A

1 400 kPa

10.0 L

720 K

B

C

24.0 L

D

15.0 L

(b) Find the energy added by heat, the work done by the
engine, and the change in internal energy for each of the
steps BCD, and A. (c) Calculate the
efficiency  W

net

/Q

h

.  Show  that  it  is  equal  to  1 " T

C

/T

A

,

the Carnot efficiency.

23. What  is  the  coefficient  of  performance  of  a  refrigerator

that operates with Carnot efficiency between temperatures
"

3.00°C and & 27.0°C?

24. What is the maximum possible coefficient of performance

of  a  heat  pump  that  brings  energy  from  outdoors  at
"

3.00°C into a 22.0°C house? Note that the work done to

run the heat pump is also available to warm up the house.
An ideal refrigerator or ideal heat pump is equivalent to a
Carnot  engine  running  in  reverse.  That  is,  energy  Q

c

is

taken in from a cold reservoir and energy Q

h

is rejected to

a hot reservoir. (a) Show that the work that must be sup-
plied to run the refrigerator or heat pump is

(b) Show that the coefficient of performance of the ideal
refrigerator is

COP !

T

c

T

h

"

T

c

 

!

T

h

"

T

c

T

c

 Q

 

c

25.

(input)

(output)

%

E

int

A

:

B

B

:

C

C

:

D

D

:

A

ABCDA

of  the  engine  if  it  operates  in  an  idealized  Otto  cycle?
(b)  What  If ?  If  the  actual  efficiency  is  15.0%,  what
fraction  of  the  fuel  is  wasted  as  a  result  of  friction  and
energy  losses  by  heat  that  could  by  avoided  in  a  re-
versible  engine?  (Assume  complete  combustion  of  the
air–fuel mixture.)

33. A 1.60-L gasoline engine with a compression ratio of 6.20

has  a  useful  power  output  of  102 hp.  Assuming  the  en-
gine  operates  in  an  idealized  Otto  cycle,  find  the  energy
taken  in  and  the  energy  exhausted  each  second.  Assume
the  fuel–air  mixture  behaves  like  an  ideal  gas  with
* !

1.40.

34.

The compression ratio of an Otto cycle, as shown in Figure
22.13, is V

A

/V

B

!

8.00. At the beginning of the compres-

sion  process,  500 cm

3

of  gas  is  at  100 kPa  and  20.0°C.  At

the beginning of the adiabatic expansion the temperature
is  T

C

!

750°C.  Model  the  working  fluid  as  an  ideal  gas

with  E

int

!

nC

V

! 2.50nRT and  * ! 1.40.  (a)  Fill  in  the

table below to follow the states of the gas:

38. In  making  raspberry  jelly,  900 g  of  raspberry  juice  is  com-

bined with 930 g of sugar. The mixture starts at room tem-
perature,  23.0°C,  and  is  slowly  heated  on  a  stove  until  it
reaches  220°F.  It  is  then  poured  into  heated  jars  and  al-
lowed to cool. Assume that the juice has the same specific
heat as water. The specific heat of sucrose is 0.299 cal/g ( °C.
Consider  the  heating  process.  (a)  Which  of  the  following
terms  describe(s)  this  process:  adiabatic,  isobaric,  isother-
mal,  isovolumetric,  cyclic,  reversible,  isentropic?  (b)  How
much energy does the mixture absorb? (c) What is the mini-
mum change in entropy of the jelly while it is heated?

39.

What change in entropy occurs when a 27.9-g ice cube at
"

12°C is transformed into steam at 115°C?

Section 22.7 Entropy Changes in Irreversible

Processes

40.

The  temperature  at  the  surface  of  the  Sun  is  approxi-
mately 5 700 K , and the temperature at the surface of the
Earth is approximately 290 K. What entropy change occurs
when 1 000 J of energy is transferred by radiation from the
Sun to the Earth?

A  1 500-kg  car  is  moving  at  20.0 m/s.  The  driver

brakes to a stop. The brakes cool off to the temperature of
the  surrounding  air,  which  is  nearly  constant  at  20.0°C.
What is the total entropy change?

42. A  1.00-kg  iron  horseshoe  is  taken  from  a  forge  at  900°C

and  dropped  into  4.00 kg  of  water  at  10.0°C.  Assuming
that  no  energy  is  lost  by  heat  to  the  surroundings,  deter-
mine the total entropy change of the horseshoe-plus-water
system.

43.

How  fast  are  you  personally  making  the  entropy  of  the
Universe increase right now? Compute an order-of-magni-
tude estimate, stating what quantities you take as data and
the values you measure or estimate for them.

44. A rigid tank of small mass contains 40.0 g of argon, initially

at 200°C and 100 kPa. The tank is placed into a reservoir
at 0°C and allowed to cool to thermal equilibrium. (a) Cal-
culate the volume of the tank. (b) Calculate the change in
internal  energy  of  the  argon.  (c)  Calculate  the  energy
transferred by heat. (d) Calculate the change in entropy of
the argon. (e) Calculate the change in entropy of the con-
stant-temperature bath.
A 1.00-mol sample of H

2

gas is contained in the left-hand

side  of  the  container  shown  in  Figure  P22.45,  which  has
equal volumes left and right. The right-hand side is evacu-
ated.  When  the  valve  is  opened,  the  gas  streams  into  the
right-hand  side.  What  is  the  final  entropy  change  of  the
gas? Does the temperature of the gas change?

45.

41.

Problems

699

Valve

Vacuum

H

2

Figure P22.45

(K)

(kPa)

(cm

3

)

E

int

A

293

100

500

B
C

1 023

D
A

(c) Identify the energy input Q

h

, the energy exhaust Q

c

,

and  the  net  output  work  W

eng

.  (d)  Calculate  the  thermal

efficiency.  (e)  Find  the  number  of  crankshaft  revolutions
per  minute  required  for  a  one-cylinder  engine  to  have
an output  power  of  1.00 kW ! 1.34 hp.  Note  that  the
thermodynamic cycle involves four piston strokes.

Section 22.6 Entropy

35. An ice tray contains 500 g of liquid water at 0°C. Calculate

the change in entropy of the water as it freezes slowly and
completely at 0°C.

36. At a pressure of 1 atm, liquid helium boils at 4.20 K . The

latent  heat  of  vaporization  is  20.5 kJ/kg.  Determine  the
entropy  change  (per  kilogram)  of  the  helium  resulting
from vaporization.
Calculate the change in entropy of 250 g of water heated
slowly  from  20.0°C  to  80.0°C.  (Suggestion: Note  that
dQ mc dT.)

37.

(b) Fill in the table below to follow the processes:

700

C H A P T E R   2 2     •     Heat Engines, Entropy, and the Second Law of Thermodynamics

46. A  2.00-L  container  has  a  center  partition  that  divides 

it  into  two  equal  parts,  as  shown  in  Figure  P22.46.  The
left  side  contains  H

2

gas,  and  the  right  side  contains

O

2

gas.  Both  gases  are  at  room  temperature  and  at  at-

mospheric  pressure.  The  partition  is  removed,  and  the
gases are allowed to mix. What is the entropy increase of
the system?

47. A 1.00-mol sample of an ideal monatomic gas, initially at a

pressure of 1.00 atm and a volume of 0.025 0 m

3

, is heated

to a final state with a pressure of 2.00 atm and a volume of
0.040 0 m

3

. Determine the change in entropy of the gas in

this process.

48.

A 1.00-mol sample of a diatomic ideal gas, initially having
pressure  and  volume  V,  expands  so  as  to  have  pressure
2and  volume  2V.  Determine  the  entropy  change  of  the
gas in the process.

Section 22.8 Entropy on a Microscopic Scale

49. If  you  toss  two  dice,  what  is  the  total  number  of  ways  in

which you can obtain (a) a 12 and (b) a 7?

50. Prepare  a  table  like  Table  22.1  for  the  following  occur-

rence. You toss four coins into the air simultaneously and
then record the results of your tosses in terms of the num-
bers  of  heads  and  tails  that  result.  For  example,  HHTH
and HTHH are two possible ways in which three heads and
one  tail  can  be  achieved.  (a)  On  the  basis  of  your  table,
what is the most probable result of a toss? In terms of en-
tropy,  (b)  what  is  the  most  ordered  state  and  (c)  what  is
the most disordered state?
Repeat the procedure used to construct Table 22.1 (a) for
the  case  in  which  you  draw  three  marbles  from  your  bag
rather  than  four  and  (b)  for  the  case  in  which  you  draw
five rather than four.

Additional Problems

52. Every  second  at  Niagara  Falls  (Fig.  P22.52),  some 

5 000 m

3

of  water  falls  a  distance  of  50.0 m.  What  is  the 

increase  in  entropy  per  second  due  to  the  falling  water?
Assume that the mass of the surroundings is so great that
its temperature and that of the water stay nearly constant
at  20.0°C.  Suppose  that  a  negligible  amount  of  water 
evaporates.

51.

A house loses energy through the exterior walls and

roof  at  a  rate  of  5 000 J/s ! 5.00 kW  when  the  interior
temperature  is  22.0°C  and  the  outside  temperature  is
"

5.00°C.  Calculate  the  electric  power  required  to  main-

tain  the  interior  temperature  at  22.0°C  for  the  following
two  cases.  (a)  The  electric  power  is  used  in  electric  resis-
tance heaters (which convert all of the energy transferred
in  by  electrical  transmission  into  internal  energy).
(b) What If ? The electric power is used to drive an electric
motor that operates the compressor of a heat pump, which
has  a  coefficient  of  performance  equal  to  60.0%  of  the
Carnot-cycle value.

54. How much work is required, using an ideal Carnot refrig-

erator, to change 0.500 kg of tap water at 10.0°C into ice at
"

20.0°C? Assume the temperature of the freezer compart-

ment is held at " 20.0°C and the refrigerator exhausts en-
ergy into a room at 20.0°C.

55.

A  heat  engine  operates  between  two  reservoirs  at
T

2

!

600 K and T

1

!

350 K . It takes in 1 000 J of energy

from  the  higher-temperature  reservoir  and  performs
250 J  of  work.  Find  (a)  the  entropy  change  of  the  Uni-
verse %S

U

for this process and (b) the work that could

have been done by an ideal Carnot engine operating be-
tween  these  two  reservoirs.  (c)  Show  that  the  difference
between the amounts of work done in parts (a) and (b) is
T

1

%

S

.

56.

Two  identically  constructed  objects,  surrounded  by  ther-
mal insulation, are used as energy reservoirs for a Carnot
engine.  The  finite  reservoirs  both  have  mass  and  spe-
cific  heat  c.  They  start  out  at  temperatures  T

h

and  T

c

,

where T

h

#

T

c

. (a) Show that the engine will stop work-

ing  when  the  final  temperature  of  each  object  is 
(T

h

T

c

)

1/2

.  (b)  Show  that  the  total  work  done  by  the

53.

Figure P22.52

Niagara Falls, a popular tourist attraction. 

CORBIS/Stock Market

0.044 mol

O

2

0.044 mol

H

2

Figure P22.46

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  173  174  175  176   ..