William Moebs; Samuel J. Ling; Jeff Sanny

Pytania

1.1 Temperatura i równowaga termiczna

1.

Co to znaczy, że dwa układy są w równowadze termicznej?

2.

Podaj przykład sytuacji, gdy A jest w jakiejś nietermicznej równowadze z B, a B ma podobną relację z C, lecz A nie ma takiej samej relacji z C.

1.2 Termometry i skale temperatur

3.

Jeśli termometr jest w równowadze termicznej z powietrzem, a szklanka wody nie, to co się stanie ze wskazaniem termometru, kiedy zostanie umieszczony w wodzie?

4.

Podaj przykład wielkości fizycznej, która zależy od temperatury, i opisz, jak można jej użyć do zmierzenia temperatury.

1.3 Rozszerzalność cieplna

5.

Nalewanie zimnej wody do gorącej szklanki lub kubka (z ceramiki) może łatwo spowodować pęknięcie. Co je powoduje? Wytłumacz, dlaczego szkło typu Pyrex®, które ma mały współczynnik rozszerzalności liniowej, jest mniej podatne na pękanie.

6.

Jedną z metod uzyskania ciasnego połączenia metalowego kołka umieszczonego w otworze wywierconym w metalowym bloku jest użycie kołka o większej średnicy niż otwór. W trakcie mocowania go w otworze kołek musi mieć inną temperaturę niż blok. Czy blok powinien być cieplejszy, czy zimniejszy niż kołek? Wyjaśnij odpowiedź.

7.

Czy można ułatwić otwarcie zamkniętego słoika przez polewanie zakrętki gorącą wodą? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

8.

Gdy zimny termometr alkoholowy umieścisz w gorącym płynie, słupek cieczy najpierw delikatnie opada zanim się podniesie. Wyjaśnij przyczynę tego zjawiska.

9.

Oblicz długość metrowego pręta wykonanego z materiału o rozszerzalności cieplnej $α$ , gdy zostanie ogrzany od $300 K$ do $600 K$ . Biorąc wynik jako nową długość początkową, oblicz długość pręta po ochłodzeniu go z powrotem do $300 K$ . Czy wynik to ponownie $1 m$ ? Czy powinien to być $1 m$ ? Jak wytłumaczyć uzyskany wynik?

10.

Amatorski konstruktor broni postanowił wykorzystać naprężenia, jakie powstają wskutek zjawiska rozszerzalności cieplnej, aby skonstruować nowy rodzaj broni. Postanowił użyć aluminiowego tłoku zamkniętego szczelnie w cylindrze z inwaru – stopu o znikomej rozszerzalności cieplnej. Po podgrzaniu cylindra tłok rozszerzy się wzdłuż, powodując silne naprężenie. Następnie za pomocą jeszcze nieopracowanej metody w ułamku sekundy otworzy cylinder, aby rozprężający się gwałtownie tłok wystrzelił pocisk. Co konstruktor przeoczył w swoim rozumowaniu?

1.4 Przekazywanie ciepła, ciepło właściwe i kalorymetria

11.

W jaki sposób wymiana ciepła zależy od temperatury?

12.

Opisz jakąś sytuację, w której dochodzi do wymiany ciepła.

13.

Czy gdy dostarczasz ciepło do układu, to energia przechowywana jest w postaci ciepła? Opisz tę sytuację.

14.

Podczas hamowania od prędkości $v$ do zatrzymania hamulce samochodu zwiększają swoją temperaturę o $Δ T$ . O ile większy byłby wzrost temperatury $Δ T$ , gdyby samochód hamował z dwukrotnie większej prędkości początkowej? Można założyć, że samochód zatrzymuje się na tyle szybko, że nie dochodzi do oddania ciepła z hamulców do otoczenia.

1.5 Przemiany fazowe

15.

W szybkowarze woda i para wodna znajdują się w równowadze cieplnej przy ciśnieniu większym od ciśnienia atmosferycznego. W jaki sposób to większe ciśnienie przyspiesza gotowanie?

16.

Poniżej pokazano diagram fazowy dla dwutlenku węgla. Ile wynosi ciśnienie pary nasyconej fazy stałej dwutlenku węgla (suchego lodu) w $- 78,5 ° C$ ? (Zauważ, że na wykresie osie nie są liniowe i nie jest zachowana skala).

Rysunek pokazuje wykres ciśnienia dwutlenku węgla w atmosferze w odniesieniu do temperatury w stopniach Celsjusza. Krzywa rośnie ku górze i w prawo osiągając punkt potrójny, w którym ciśnienie ma 5,11 atmosfer i minus 56,6 stopni Celsjusza. Od tego miejsca krzywa się rozgałęzia. Jedno odgałęzienie biegnie niemal pionowo ku górze, drugie również ku górze w prawo osiągając punkt krytyczny. To punkt, w którym ciśnienie ma 73 atmosfery i 31 stopni Celsjusza. Obszar po lewej stronie pionowego odgałęzienia jest stały, obszar między dwoma odgałęzieniami jest ciekły, a obszar na prawo od prawego odgałęzienia jest gazowy.

17.

Czy dwutlenek węgla może zostać skroplony w temperaturze pokojowej ( $20 ° C$ )? Jeśli tak, to w jaki sposób? Jeśli nie, to dlaczego (zobacz diagram fazowy z poprzedniego zadania)?

18.

Na czym polega różnica między gazem a parą?

19.

Zmiany temperatury i zmiany fazy mogą wynikać z wymiany ciepła. Co innego może jeszcze powodować te zmiany?

20.

Jak ciepło topnienia wody przyczynia się do spowolnienia spadku temperatury powietrza, co może uniemożliwić znaczne spadki temperatury poniżej $0 ° C$ w pobliżu dużych akwenów?

21.

Jaka jest temperatura lodu zaraz po zamarznięciu wody?

22.

Jeśli umieścisz lód o temperaturze $0 ° C$ w wodzie o temperaturze $0 ° C$ , znajdującej się w izolowanym pojemniku, to czego na koniec będzie więcej? Czy w pojemniku będzie więcej wody, a mniej lodu, czy odwrotnie? Czy może ilości lodu i wody będą takie same jak na początku?

23.

Jaki wpływ na topnienie lodu będzie miało skraplanie się pary wodnej na zewnętrznej ściance szklanki, w której znajduje się mrożona woda? Czy skraplanie przyspieszy proces topnienia lodu w szklance, czy też spowolni?

24.

W Miami, na Florydzie, gdzie klimat jest bardzo wilgotny, a w pobliżu znajduje się wiele akwenów, temperatura powietrza zazwyczaj nie przekracza $38 ° C$ . Z kolei na pustyni Phoenix, w Arizonie, temperatura rośnie powyżej $38 ° C$ prawie każdego dnia w lipcu i sierpniu. Wytłumacz, jak parowanie wody pomaga w ograniczaniu wzrostu temperatury w wilgotnym klimacie.

25.

Zimą częściej jest cieplej w San Francisco niż w Sacramento, $150 km$ w głębi lądu. Latem jest zawsze goręcej w Sacramento. Wyjaśnij, jak akweny otaczające San Francisco wpływają na łagodzenie ekstremalnych temperatur.

26.

Pokarmy liofilizowane zostają poddawane odwodnieniu w próżni. Podczas tego procesu żywność zamarza i musi być podgrzewana w celu ułatwienia odwodnienia. Wyjaśnij, jak próżnia przyspiesza odwodnienie i dlaczego żywność zamarza w końcowym efekcie.

27.

W pokoju służącym do prowadzenia eksperymentów fizycznych instruktor nadmuchał balon ustami, a następnie oziębił w ciekłym azocie. W środku oziębionego i skurczonego balonu dało się zobaczyć małą ilość jasnoniebieskiej cieczy oraz jakieś kryształki podobne do śniegu. Gdy balon się ocieplił, ciecz zaczęła wrzeć, część kryształków zaczęła sublimować, a niektóre utrzymywały się przez chwilę; następnie powstawała z nich ciecz. Zidentyfikuj niebieską ciecz i dwa pozostałe ciała stałe, które były w zimnym balonie. Swoją odpowiedź uzasadnij, posługując się danymi z Tabeli 1.4.

1.6 Mechanizmy przekazywania ciepła

28.

Jakie są główne sposoby wymiany ciepła z jądra Ziemi na jej powierzchnię oraz z powierzchni Ziemi w przestrzeń kosmiczną?

29.

Reakcją ludzkiego ciała na jego zbyt wysoką temperaturę jest wytworzenie na skórze potu oraz przyspieszenie cyrkulacji krwi do zewnętrznych części ciała, by oddać nadmiar energii cieplnej. Jaki efekt będą wywierały powyższe zjawiska na ciało człowieka, który znajduje się w wannie wypełnionej wodą o temperaturze $40 ° C$ ?

30.

Poniższy rysunek przedstawia przekrój termosu (zwanego także dewarem), którego zadaniem jest spowolnienie wszelkich form wymiany ciepła. Wyjaśnij funkcję poszczególnych elementów, takich jak próżnia, posrebrzane ścianki, gumowy wspornik, warstwa powietrza, korek.

Rysunek przedstawia przekrój termosu. Szklane ściany pojemnika wewnętrznego pokryte są srebrem. Pojemnik utrzymuje się w zawieszeniu dzięki sznurkom i gumie. Położony jest w powietrzu i w próżni między dwoma zbiornikami. Pojemnik wewnętrzny wypełniony jest płynem zimnym bądź gorącym.

31.

W niektórych kuchenkach elektrycznych grzałka schowana jest pod płaskim ceramicznym blatem. Naczynie umieszczone na ogrzewanym od spodu blacie ceramicznym jest podgrzewane, a powierzchni ceramiki w odległości zaledwie kilku centymetrów od grzałki można bezpiecznie dotykać. Dlaczego ceramika o przewodnictwie cieplnym znacznie mniejszym od metalu, ale większym od dobrego izolatora, jest idealnym materiałem na blat kuchenki?

32.

Luźny, biały strój okrywający znaczną część powierzchni ciała to idealny ubiór dla mieszkańców pustyni zarówno w palącym słońcu, jak i podczas chłodnych wieczorów. Wytłumacz, dlaczego tego typu ubranie jest przydatne zarówno w dzień, jak i w nocy (źródło ilustracji: modyfikacja pracy Maureen Lunn, via wikimedia.org).

Zdjęcie mężczyzn ubranych w luźne białe szaty.

33.

Jednym ze sposobów zwiększenia efektywności energetycznej kominka jest spowodowanie, by powietrze w pokoju cyrkulowało, przepływając wkoło kominka. Opisz, jakie sposoby przenoszenia ciepła dominują w tej sytuacji.

34.

W zimne, bezchmurne noce konie mogą spać pod osłoną dużych drzew. Jak to pomaga im zachować ciepło?

35.

Podczas oglądania przedstawienia w cyrku w ciągu dnia w dużym namiocie o ciemnych kolorach wyczuwasz ogromne ciepło bijące od kopuły. Wytłumacz, dlaczego tak się dzieje.

36.

Satelity zaprojektowane do obserwowania promieniowania z zimnej ( $3 K$ ) i ciemnej przestrzeni kosmicznej mają czujniki osłonięte przed Słońcem, Ziemią i Księżycem i są schłodzone do bardzo niskiej temperatury. Dlaczego powinny one pracować w niskiej temperaturze?

37.

Dlaczego termometry stosowane w stacjach pogodowych są chronione przed Słońcem? Co mierzy termometr, jeśli jest osłonięty przed Słońcem? Co mierzy, jeśli nie jest osłonięty?

38.

Twój dom będzie pusty przez pewien czas w zimie, a chcesz zaoszczędzić energię i pieniądze. Czy należy obrócić termostat do najniższego poziomu, który chroni dom przed uszkodzeniami, takimi jak zamarzanie rur, czy pozostawić go w normalnej temperaturze (jeśli nie lubisz wracać do zimnego domu, wyobraź sobie, że zegar steruje systemem grzewczym, więc dom będzie ciepły, kiedy wrócisz)? Uzasadnij swoją odpowiedź.

39.

Wlewasz kawę do kubka, którego nie przykrywasz. Zamierzasz wypić ją 5 minut później. Możesz dolać mleko do kawy w momencie napełniania kubka kawą lub tuż przed jej wypiciem. Mleko dolane od razu bądź później będzie mieć taką samą temperaturę, ale w stosunku do kawy niższą. Zakładamy, że kawa i mleko bardzo szybko osiągną równowagę cieplną. Kiedy opłaca się nalać mleka do kawy, aby mieć ją cieplejszą w momencie wypicia?

40.

Broiling jest metodą gotowania przez promieniowanie, która daje nieco inne rezultaty niż gotowanie przez przewodnictwo lub konwekcję. Płomień gazu lub elektryczny element grzewczy wytwarza bardzo dużą temperaturę w pobliżu żywności i powyżej niej. Dlaczego w tym układzie promieniowanie cieplne dominuje nad innymi metodami wymiany ciepła?

41.

W zimny poranek metalowy rower wydaje się zimniejszy niż drewno na ganku. Dlaczego?