Διατήρηση Ενέργειας. Ένα ωριαίο διαγώνισμα.

1)       Δίπλα σε καθεμιά από τις παρακάτω ερωτήσεις σημειώστε (Σ ή Λ) ανάλογα αν θεωρείτε σωστή ή λανθασμένη την πρόταση. Προσοχή: Κάθε σωστή πρόταση βαθμολογείτε με +5, ενώ κάθε λανθασμένη με -4. Μην σημειώστε κάτι, αν δεν είσαστε σίγουροι.
Α)
i)     Τα μόρια ενός αραιού αερίου έχουν μόνο δυναμική ενέργεια.
ii)    Όταν δύο σώματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία, έχουν την ίδια θερμοκρασία.
iii)   Η εσωτερική ενέργεια μιας ποσότητας αερίου είναι το άθροισμα των κινητικών και δυναμικών  ενεργειών των μορίων του.
iv)  Όταν θερμαίνουμε ένα αέριο, σε κλειστό δοχείο, αυξάνουμε την θερμότητά του.
v)   Σε κάθε μετατροπή ενέργειας ένα μέρος της υποβαθμίζεται.
Β)  Τα δοχεία Α και Β περιέχουν ίσες ποσότητες ενός αερίου έχοντας τον ίδιο όγκο και την ίδια θερμοκρασία. Η ατμοσφαιρική πίεση είναι ίση με Ρατ=105Ν/m2.
i)     Η πίεση του αερίου στο Β δοχείο είναι ίση με 105Ν/m2.
ii)    Η πίεση του αερίου στο Α δοχείο είναι ίση με 105Ν/m2.
iii)   Θερμαίνουμε και τα δύο δοχεία προσφέροντας θερμότητα 400J σε κάθε αέριο, με αποτέλεσμα το έμβολο στο Β δοχείο να μετακινείται προς τα δεξιά.
α) Για τις τελικές εσωτερικές ενέργειες των δύο αερίων ισχύει UτΑ=UτΒ.
β) Η τελική πίεση του αερίου Β είναι ίση με 105Ν/m2.
γ) Η τελική πίεση του αερίου Α είναι ίση με 105Ν/m2.
Μπορείτε να δείτε όλο το διαγώνισμα με κλικ εδώ. (4 θέματα)

Πειραματική διάταξη του Joule.


Δίνεται η πειραματική διάταξη του σχήματος, όπου στο δοχείο με θερμομονωτιά τοχώματα, περιέχεται νερό μάζας 200g  σε θερμοκρασία 14,73°C. Αφήνουμε ένα σώμα μάζας 2kg να πέσει από ύψος h=2m, το οποίο φτάνει στο έδαφος με ταχύτητα υ=1m/s, ενώ η περιστροφή των μεταλλικών δακτυλίων αναδεύει το νερό. Επαναλαμβάνουμε την ίδια διαδικασία 10φορές.
Ποια είναι η τελική θερμοκρασία του νερού;
Δίνεται, ότι η τροχαλία είναι αβαρής, g=10m/s2, η ειδική θερμότητα του νερού c=1cal/g∙°C, ενώ 1cal=4,18J.

Ερωτήσεις διατήρησης ενέργειας. (1ος Θερμοδυναμικός Νόμος)

 Τα δοχεία Α και Β του διπλανού σχήματος περιέχουν ίσες ποσότητες αερίου, ίδιας θερμοκρασίας, ενώ το έμβολο βρίσκεται δεξιά, οπότε ο όγκος του Β δοχείου είναι μεγαλύτερος από τον όγκο του δοχείου Α. Η ατμοσφαιρική πίεση είναι ίση με Ρατ=105Ν/m2.
i) Η πίεση του αερίου στο Β δοχείο είναι ίση με 105Ν/m2.
ii)  Η πίεση του αερίου στο Α δοχείο είναι ίση με 105Ν/m2.
iii) Το αέριο Β έχει μεγαλύτερη εσωτερική ενέργεια από το αέριο στο Α δοχείο.
iv) Ασκώντας κατάλληλη δύναμη F στο έμβολο, το μετακινούμε ώστε το αέριο στο δοχείο Β να αποκτήσει τον ίδιο όγκο με το δοχείο Α. Με τον τρόπο αυτό προσφέρουμε ενέργεια, στο αέριο, μέσω του έργου της δύναμης, 300J. Ταυτόχρονα θερμαίνουμε το αέριο Α, προσφέροντάς του θερμότητα 300J. Για τις τελικές καταστάσεις των δύο αερίων:
α) Τα αέρια έχουν ίσες εσωτερικές ενέργειες.
β) Τα μόρια στο Α δοχείο κινούνται «πιο γρήγορα», από τα μόρια στο δοχείο Β, αφού θερμάναμε το αέριο.
γ)  Οι πιέσεις των δύο αερίων είναι ίσες.

Δείτε όλες τις ερωτήσεις, αλλά και τις απαντήσεις.

Εκτόνωση αερίου.

Ένα αέριο βρίσκεται σε δοχείο, το οποίο κλείνεται με έμβολο, εμβαδού S=100cm2 πάνω στο οποίο έχουμε τοποθετήσει ένα βαράκι. Το έμβολο μαζί με το βαράκι έχουν μάζα 2kg, και ισορροπούν, κατάσταση (α). Σε μια στιγμή τοποθετούμε, κάτω από το δοχείο ένα μικρό κερί, θερμαίνοντας αργά το αέριο. Παρατηρούμε ότι το έμβολο αρχίζει να κινείται πολύ αργά προς τα πάνω, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούμε να θεωρήσουμε ότι η κίνησή του γίνεται με σταθερή ταχύτητα. Μέσω αυτής της διαδικασίας, το έμβολο ανέρχεται κατά x=20cm και το αέριο έρχεται στην κατάσταση (β). Θεωρείστε ότι η κίνηση του εμβόλου γίνεται χωρίς τριβές, η ατμοσφαιρική πίεση είναι pατ=105Ν/m2, ενώ g=10m/s2.
i)  Να βρεθεί η πίεση του αερίου.
ii) Στη διάρκεια της θέρμανσης η πίεση του αερίου αυξάνεται ή όχι; Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας.
iii) Να υπολογίσετε το έργο που παράγει το αέριο. Η παραγωγή έργου σημαίνει μεταφορά ενέργειας. Στην περίπτωσή μας, πού μεταφέρεται η ενέργεια αυτή;
iv) Υπολογίστε την ενέργεια που μεταφέρθηκε από το αέριο στην ατμόσφαιρα.
v)  Αν στη διάρκεια της παραπάνω μεταβολής η εσωτερική ενέργεια του αερίου αυξήθηκε κατά 306J, πόση θερμότητα απορρόφησε το αέριο από την φλόγα;

Συμπίεση αερίου.

Ένα αέριο βρίσκεται σε δοχείο, το οποίο κλείνεται με έμβολο μάζας m=1kg στην κατάσταση (α). Σε μια στιγμή τοποθετούμε, πάνω στο έμβολο ένα σώμα Σ μάζας M=5kg και παρατηρούμε ότι το έμβολο κατέρχεται και τελικά ισορροπεί χαμηλότερα κατά x=4cm, σε σχέση με την αρχική του θέση, κατάσταση (β). Τα τοιχώματα του δοχείου και του εμβόλου είναι από μονωτικό υλικό. Θεωρήστε ότι πάνω από το έμβολο δεν υπάρχει αέρας (το πείραμα πραγματοποιείται στο κενό), αμελητέες τις τριβές κατά την κίνηση του εμβόλου και ότι g=10m/s2.
i)  Στην κατάσταση (α) ή στην (β) το αέριο ασκεί μεγαλύτερη πίεση; Να δικαιολογήσετε την άποψή σας.
ii) Αν το εμβαδόν του εμβόλου είναι S=100cm2, να βρεθεί η μεταβολή της πίεσης του αερίου που οφείλεται στην τοποθέτηση του σώματος Σ.
iii) Η αύξηση της πίεσης του αερίου οφείλεται:
 α)  Στην μείωση του όγκου και συνεπώς των συγκρούσεων των μορίων με τα τοιχώματα.
 β)  Στην αύξηση της θερμοκρασίας, με αποτέλεσμα τα μόρια να έχουν μεγαλύτερες ταχύτητες.
 γ)  Και στους δύο παραπάνω λόγους.
 δ) Σε κανέναν από τους παραπάνω λόγους, αλλά στο βάρος του σώματος Σ.
iv)  Κατά την παραπάνω μεταβολή η εσωτερική ενέργεια αυξήθηκε:
α)  Να υπολογιστεί η αύξηση της εσωτερικής ενέργειας του αερίου.
β)  Η αύξηση αυτή οφείλεται:
a) Στην μείωση του όγκου.
b) Στην αύξηση της θερμοκρασίας.
c) Στην αύξηση της κινητικής ενέργειας των μορίων.
d) Στην αύξηση της πίεσης
e) Στην αύξηση του αριθμού των συγκρούσεων μεταξύ των μορίων.
Ποιες από τις παραπάνω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες;

Πίεση και Δύναμη.

Μέσα σε ένα οριζόντιο δοχείο, βρίσκεται μια ποσότητα αερίου και κλείνεται με έμβολο μάζας 0,5 kg και εμβαδού S=20cm2, το οποίο μπορεί να κινείται χωρίς τριβές, σχήμα (α). Η ατμοσφαιρική πίεση είναι ίση με pατ=105Ν/m2 ενώ  g=10m/s2.
i)     Αφού δικαιολογήσετε γιατί η πίεση του αερίου είναι ίση με pατ=105Ν/m2,  να βρεθεί η δύναμη που ασκεί το αέριο στο έμβολο.
ii)    Σηκώνουμε το δοχείο σε κατακόρυφη θέση (σχήμα (β), τοποθετούμε πάνω στο έμβολο σώμα Σ μάζας Μ=4,5kg και το αφήνουμε να ηρεμήσει.
α) Να βρεθεί η δύναμη που ασκεί το αέριο στο έμβολο.
β) Πόση είναι τώρα η πίεση του αερίου;
iii)   Μπορείτε να ερμηνεύσετε μικροσκοπικά την αύξηση της πίεσης;