Eksamen FY1005/TFY4165 Termisk fysikk kl mandag 12. august 2013

Like dokumenter
Eksamen FY1005/TFY4165 Termisk fysikk kl mandag 2. juni 2014

TFY4165/FY august 2014 Side 1 av 11

Eksamen FY1005/TFY4165 Termisk fysikk kl torsdag 6. juni 2013

Eksamen TFY4165 Termisk fysikk kl august 2018 Nynorsk

Eksamen TFY4165 Termisk fysikk kl torsdag 15. desember 2016 Bokmål

Eksamen TFY4165 Termisk fysikk kl mandag 7. august 2017 Bokmål

Fysikkk. Støvneng Tlf.: 45. Andreas Eksamensdato: Rottmann, boksen 1 12) Dato. Sign

EKSAMEN I FY1005 og TFY4165 TERMISK FYSIKK: LØSNINGSFORSLAG

A 252 kg B 287 kg C 322 kg D 357 kg E 392 kg. Velg ett alternativ

T L) = H λ A T H., λ = varmeledningsevnen og A er stavens tverrsnitt-areal. eks. λ Al = 205 W/m K

Oppgave 1 V 1 V 4 V 2 V 3

KJ1042 Øving 5: Entalpi og entropi

Termodynamikk ΔU = Q - W. 1. Hovedsetning = Energibevarelse: (endring indre energi) = (varme inn) (arbeid utført)

Flervalgsoppgave. Kollisjoner. Kap. 6. Arbeid og energi. Energibevaring. Konstant-akselerasjonslikninger REP

TFY4115 Fysikk Eksamen 6. desember 2018 { 6 sider

Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Institutt for fysikk

EKSAMEN I EMNE TFY4125 FYSIKK

Termisk fysikk består av:

KJ1042 Øving 3: Varme, arbeid og termodynamikkens første lov

UNIVERSITETET I OSLO

Kap Termisk fysikk (varmelære, termodynamikk)

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

DET TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE FAKULTET

EKSAMEN I FY1005 og TFY4165 TERMISK FYSIKK: LØSNINGSFORSLAG

MEKANISK FYSIKK INKL SVINGNINGER. Newtons andre lov: F = dp/dt. p = mv = mṙ. Konstant akselerasjon: v = v 0 +at

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-2001

Flervalgsoppgave. Arbeid og energi. Energibevaring. Kollisjoner REP Konstant-akselerasjonslikninger. Vi har sett på:

Repetisjonsoppgaver kapittel 5 løsningsforslag

HØGSKOLEN I STAVANGER

Frivillig test 5. april Flervalgsoppgaver.

9) Mhp CM er τ = 0 i selve støtet, slik at kula glir uten å rulle i starten. Dermed må friksjonskraften f virke mot venstre, og figur A blir riktig.

SIO 1027 Termodynamikk I Noen formler og uttrykk som er viktige, samt noen stikkord fra de forskjellige kapitler,, Versjon 25/

Løsningsforslag til øving 10

Arbeid og energi. Energibevaring.

Folkevandringstelling

Løsningsforslag til øving 10

TFY4106 Fysikk Eksamen 17. august V=V = 3 r=r ) V = 3V r=r ' 0:15 cm 3. = m=v 5 = 7:86 g=cm 3

Løsningsforslag til ukeoppgave 7

De viktigste formlene i KJ1042

EKSAMEN I EMNE TFY4125 FYSIKK

TFY4106 Fysikk Eksamen 18. mai 2017 Formelside 1 av 6

LØSNINGSFORSLAG TIL KONTINUASJONSEKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

MEKANISK FYSIKK INKL SVINGNINGER. Newtons andre lov: F = dp/dt p = mv = mṙ. Konstant akselerasjon: v = v 0 + at x = x 0 + v 0 t at2

Løsningsforslag: Kontinuasjonseksamen TFY4115, august 2008

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 5. desember 2005 kl

gass Faglig kontakt under eksamen/fagleg kontakt under eksamen: Professor Edd A.Blekkan, tlf.:

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i:kje-1005 Termodynamikk og kinetikk Dato: Torsdag 05. juni 2014 Tid: Kl 09:00 14:00 Sted: Teorifagbygget, hus 1, plan 2

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 4: Fysikken i astrofysikk, del 1

FAG: Fysikk FYS121 LÆRER: Fysikk : Per Henrik Hogstad (fellesdel) Kjetil Hals (linjedel)

Regneøving 9. (Veiledning: Fredag 18. mars kl og mandag 21. mars kl )

Kretsprosesser. 2. hovedsetning

TFY4102 Fysikk Eksamen 16. desember 2017 Foreløpig utgave Formelside 1 av 6

Onsdag og fredag

UNIVERSITETET I OSLO

1 d 3 p. dpp 2 e β Z = Z N 1 = U = N 6 1 kt = 3NkT.

Eksamensoppgave i TFY4115 FYSIKK

EKSAMEN I FY1005 og TFY4165 TERMISK FYSIKK: LØSNINGSFORSLAG

Universitetet i Oslo Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

- Kinetisk og potensiell energi Kinetisk energi: Bevegelses energi. Kinetiske energi er avhengig av masse og fart. E kin = ½ mv 2

UNIVERSITETET I OSLO

Eksempler og oppgaver 9. Termodynamikkens betydning 17

Retningen til Spontane Prosesser. Prosessers Retning

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

FAG: Fysikk FYS118 LÆRER: Fysikk : Per Henrik Hogstad (fellesdel) Kjetil Hals (linjedel)

Stivt legeme, reeksjonssymmetri mhp rotasjonsaksen: L = L b + L s = R CM M V + I 0!

EKSAMENSOPPGAVE. Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA Hvis JA: ca. kl. 10:00 og kl. 12:30

EKSAMENSOPPGAVE. FYS-2001 Statistisk fysikk og termodynamikk Dato:

Oppsummering - Kap. 5 Termodynamikkens 2. Lov

Løsningsforslag til midtveiseksamen i FYS1001, 26/3 2019

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

Løsningsforslag til eksamen i TFY4230 STATISTISK FYSIKK Tirsdag 9. aug 2011

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2012 Løsninger

SAMMENDRAG AV FORELESNING I TERMODYNAMIKK ONSDAG

Eksamen i: Fys-2001 Statistisk fysikk og termodynamikk Dato: Tirsdag 26. februar 2013 Tid: Kl 09:00 13:00

Løsningsforslag til øving 6

Løsningsforslag eksamen TFY desember 2010.

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Tirsdag 27. mai 2008 kl

Eksamensoppgave i TFY4115 FYSIKK

Løsningsforslag EKSAMEN TFY4102 FYSIKK Fredag 10. juni 2011

TFY4104/TFY4115 Fysikk Eksamen 6. desember Lsningsforslag Oppgave 1 { 25 Mekanikk

Løysingsframlegg kontinuasjonseksamen TFY 4104 Fysikk august 2011

Løysingsframlegg TFY 4104 Fysikk Kontinuasjonseksamen august 2010

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 17. desember 2007 kl K. Rottmann: Matematisk formelsamling (eller tilsvarende).

Flervalgsoppgaver. Gruppeøving 8 Elektrisitet og magnetisme. 1. SI-enheten til magnetisk flukstetthet er tesla, som er ekvivalent med A. E.

Institutt for fysikk. Eksamen i TFY4106 FYSIKK Torsdag 6. august :00 13:00

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 1

2,0atm. Deretter blir gassen utsatt for prosess B, der. V 1,0L, under konstant trykk P P. P 6,0atm. 1 atm = 1,013*10 5 Pa.

Retningen til Spontane Prosesser

Fysikkolympiaden Norsk finale 2017

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2013 Løsninger

r+r TFY4115 Fysikk Eksamenstrening: Løsningsforslag

A) 1 B) 2 C) 3 D) 4 E) 5

Elektrisk potensial/potensiell energi

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE TFY FYSIKK. 10. august 2012 Tid:

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 14/8 2015

Løsningsforslag til midtveiseksamen i FYS1001, 19/3 2018

Transkript:

TFY4165/FY1005 12. august 2013 Side 1 av 8 Eksamen FY1005/TFY4165 Termisk fysikk kl 09.00-13.00 mandag 12. august 2013 Oppgave 1. Ti flervalgsoppgaver. (Poeng: 2 pr oppgave) a. For van der Waals tilstandsligning, ( p+an 2 / 2) ( Nb) = NkT, hvilket utsagn er korrekt? A Leddet an 2 / 2 tar hensyn til at ikke alle gassmolekylene befinner seg ved samme trykk. B Leddet an 2 / 2 tar hensyn til at molekylene frastøter hverandre. C Leddet Nb tar hensyn til at molekylene har et visst volum, og at de ikke er punktpartikler. D Denne tilstandsligningen gjelder for faste stoffer, men ikke for væsker og gasser. b. p Figuren viser et typisk p-diagram for en ikke-ideell gass. Hvilken påstand er korrekt? M T 3 T2 T 1 A De heltrukne kurvene er isobarer. B Stoffets kokepunkt er T 3. C I tilstanden merket M er stoffet en blanding av væske og gass. D T 3 < T 2 < T 1. c. I kinetisk gassteori, hvordan går man fram for å bestemme trykket i en ideell gass? A ed å innse at det ikke strømmer noe varme ut av et isolert system. B ed å bestemme molekylenes akselerasjon, og deretter benytte Newtons 2. lov, F = ma. C ed å bestemme hvor mange molekyler som støter mot en vegg pr tidsenhet samt impulsendringen pr støt, og deretter benytte Newtons 2. lov, F = dp/dt. D ed å bestemme gassens kinetiske energi før og etter at den har utført et arbeid ved å flytte en av beholderens vegger en lengde x. d. Hvilken påstand er korrekt? A 2. hovedsetning er en direkte konsekvens av 1. hovedsetning. B Det er ikke mulig å overføre varme fra et kaldt legeme til et varmere legeme. C Det er ikke mulig å omdanne varme i sin helhet til arbeid. D Det er ikke mulig å omdanne arbeid i sin helhet til varme. e. Hvilken påstand er feil? A Entropi er et kvantitativt mål for uorden. B Total entropiendring i en syklus i en Carnot-prosess er null. C Entropien i et lukket system er bevart. D Entropi kan måles i enheten J/K.

TFY4165/FY1005 12. august 2013 Side 2 av 8 f. p 2 p 0 1 2 Figuren viser en kretsprosess for en ideell gass, med p 0 = 8 atm og 0 = 7 liter. Hvor stort arbeid utfører gassen pr syklus? p 0 4 0 2 3 0 A 5.7 kj B 56 J C 2.8 kj D 28 J g. p a b Figuren viser en reversibel kretsprosess der arbeidssubstansen er en gass. Hva kan du si om netto varme som tilføres arbeidssubstansen pr syklus (fra omgivelsene) i denne kretsprosessen? d c A Det er lik null. B Det er negativt. C Det er positivt. D Intet kan sies ut fra en slik figur. h. Hva skjer med molekylenes midlere kinetiske energi når en ideell gass komprimeres ved konstant temperatur? A Den øker. B Den endrer seg ikke. C Den minker. D Den kan øke eller minke, men flere opplysninger trengs for å avgjøre hva som skjer. i. I en gitt mengde ideell gass som fyller en beholder med volum, er trykket p og midlere molekylfart v. Hvis volum og trykk endres til hhv /2 og 4p, hva blir da midlere molekylfart? A 2v B 2v C v/ 2 D v/2 j. I en ideell gass ved normale betingelser er varmekapasiteten pr partikkel av størrelsesorden A R B k C h D N A

TFY4165/FY1005 12. august 2013 Side 3 av 8 Oppgave 2. Kretsprosess. (Poeng: 5+5+5+5) p 3 2 4 1 0 α 0 Figuren viser en kvalitativ skisse av den såkalte Otto-prosessen, en reversibel idealisering av prosessen i en bensinmotor, bestående av to adiabater og to isokorer. Arbeidssubstansen er en fleratomig ideell gass. Faktorenα > 1angirdetsåkaltekompresjonsforholdet. a. Begrunn hvorfor adiabatkonstanten γ = C p /C har verdien 4/3 for en fleratomig gass. (Anta at molekylene ikke er lineære, og at molekylenes indre vibrasjonsfrihetsgrader ikke er eksitert ved de aktuelle temperaturer.) b. Utled adiabatligningen for en ideell gass i T-planet, T γ 1 = konstant. Tips: Anta konstante (dvs temperaturuavhengige) varmekapasiteter, samt p d-arbeid. Ta utgangspunkt i 1. hovedsetning. Du kan få bruk for å erstatte Nk med C p C. c. is at Otto-prosessens virkningsgrad er η = 1 α 1 γ. d. Man vil unngå antenning av gassblandingen i løpet av den adiabatiske kompresjonen (1 2 i figuren), som starter ved normale betingelser, dvs atmosfæretrykk og romtemperatur (p 1 = 1 atm, T 1 = 293 K). Hvorstortkompresjonsforholdα max kanvidatillate, dersomgassblandingenantennesved400gradercelsius? Oppgave 3. armetransport. (Poeng: 5+5+5) Τ1 Τ 2 κ j L En fortynnet gass med enatomige molekyler fyller rommet mellom to store parallelle plater (som f.eks et dobbeltvindu). Atomene har masse m og kan betraktes som harde kuler med radius a. Anta at atomenes midlere fri veilengde λ er liten sammenlignet med avstanden L mellom platene. Da er gassens varmeledningsevne uavhengig av partikkeltettheten n = N/, og gitt ved κ = β T, med β = k k/(4πa 2 πm). a. Anta stasjonære forhold, med konstant temperatur T 1 på venstre plate og konstant temperatur T 2 < T 1 på høyre plate, og bestem varmestrømmen pr flateenhet j κ = Q κ /A i den fortynnede gassen. (Tips: Bruk Fouriers lov og uttrykk svaret ved koeffisienten β samt de gitte temperaturene T 1 og T 2 og plateavstanden L. b. armeoverføring pga stråling vil komme i tillegg til varmeledningsbidraget beregnet i punkt a. Bestem netto varmestrøm pr flateenhet, j rad = Q rad /A, pga stråling mellom platene. Du kan anta at begge plater er perfekt svarte legemer, med konstante temperaturer T 1 og T 2 som i punkt a. c. Anta at gassen er argon, med m = 40u og a = 0.71 Å, at plateavstanden er L = 1.5 cm, og at T 1 = 20 C (innetemperatur) og T 2 = 20 C (utetemperatur, vinter). Bestem de to bidragene til varmestrømmen pr flateenhet, hhv j κ og j rad. Bruk enheten W/m 2.

TFY4165/FY1005 12. august 2013 Side 4 av 8 Oppgave 4. Ideell paramagnet. (Poeng: 5+5+5) Et elektron har kvantisert magnetisk moment µ = e m e S. Her er e, m e og S hhv ladningen, massen og spinnet til elektronet. I et ytre magnetfelt B = Bẑ vil elektronspinnets komponent S z i magnetfeltets retning kun ha to mulige verdier, ± h/2, slik at den potensielle energien µ B (jf grunnleggende magnetostatikk) kun kan ha verdien E = µ B B eller E + = µ B B, svarende til at µ peker i hhv samme retning som B eller motsatt retning av B. Her er µ B = e h/2m e en såkalt Bohr-magneton. I termisk likevekt er sannsynligheten p(s) for at elektronet befinner seg i den ene eller den andre av de to mulige tilstandene (med s = ±1 svarende til E ± ) p(s) = Ce sx, dvs proporsjonal med Boltzmannfaktoren. Her er C en normeringskonstant, og x = µ B B/kT er en dimensjonsløs størrelse som angir spinnets potensielle energi i magnetfeltet relativt den tilgjengelige termiske energien kt. a. Beregn normeringskonstanten C. is at partisjonsfunksjonen (pr partikkel) blir z = 2 cosh x. b. is at elektronets midlere magnetiske moment m, gjort dimensjonsløst ved å dividere med µ B, er gitt ved m = µ µ B = tanhx. is at dette resultatet er i samsvar med Curies lov, m 1/T, for høye temperaturer. Entropien σ pr partikkel kan nå bestemmes fra partisjonsfunksjonen med formelen σ = k (T lnz)/ T, og blir, uttrykt ved midlere magnetiske moment, σ(m) = k [ln2 12 (1+m)ln(1+m) 12 ] (1 m)ln(1 m). c. Hva blir (til ledende orden) m og σ dersom magnetfeltet er meget sterkt, dvs x 1? Hva blir m og σ dersom magnetfeltet skrus av, dvs x = 0? urder om σ i disse to grensetilfellene er som forventet, i lys av Boltzmanns prinsipp (se formelvedlegget). Oppgitt: sinhx = (e x e x )/2, coshx = (e x +e x )/2, tanhx = sinhx/coshx xlnx 0 når x 0

TFY4165/FY1005 12. august 2013 Side 5 av 8 Oppgave 5. Maxwells hastighetsfordeling. (Poeng: 5+5+10) Under forutsetning av (i) at ingen retninger er spesielt foretrukne, og (ii) at de ulike komponentene av hastigheten er statistisk uavhengige, så vil lette, runde plastskiver som svever på et luftputebord (og som reflekteres ved luftputebordets vegger) ha hastigheter som oppfyller Maxwellfordelingen. Med andre ord, sannsynligheten for at en gitt skive har hastighetskomponent i x-retning mellom v x og v x +dv x er g(v x )dv x = B π e Bv2 x dv x, og sannsynligheten for at en gitt skive har hastighetskomponent i y-retning mellom v y og v y +dv y er g(v y )dv y = B π e Bv2 y dv y. a. Hva blir sannsynligheten F(v)d 2 v for at en gitt skive har hastighetsvektor mellom v = (v x,v y ) og v+dv = (v x +dv x,v y +dv y )? Hva blir sannsynligheten f(v)dv for at en gitt skive har fart (dvs v ) mellom v og v +dv? (Tips: I kartesiske koordinater: d 2 v = dv x dv y. I polarkoordinater: d 2 v = vdφdv.) b. is at midlere kvadratiske hastighet er v 2 = 1/B. c. Anta at du har filmet bevegelsen til 10 identiske plastskiver på et luftputebord over et tidsrom på 10 sekunder med et hurtigkamera som tar 20 bilder pr sekund. Du har dermed 10 datafiler til rådighet, en fil pr plastskive, der hver fil inneholder 200 rader a 3 tall, t, x og y, dvs hhv tidspunkt, x-posisjon og y-posisjon for den gitte skiven. Forklar hvordan du vil gå fram for å undersøke om disse 10 plastskivene faktisk har hastigheter som oppfyller Maxwellfordelingen. Direkte programmering er ikke nødvendig. Bruk ordinær tekst og eventuelt litt pseudokode. Det skal gå fram hvordan du bestemmer en skives hastighet langs dens bane, og dessuten hvordan du vil velge å framstille fordelingen av hastigheter. Inntil ca en A4-side bør være tilstrekkelig.

TFY4165/FY1005 12. august 2013 Side 6 av 8 FORMLER OG UTTRYKK. Formlenes gyldighetsområde og symbolenes betydning antas å være kjent. Symbolbruk og betegnelser som i forelesningene. ektorer med fete typer. Utvidelseskoeffisienter, trykk-koeffisient, isoterm kompressibilitet: α L = 1 L ( ) L T p α = 1 ( ) T p α p = 1 p ( ) p T κ T = 1 ( ) p T Syklisk regel: Første hovedsetning: armekapasitet: Termodynamiske potensialer: H = U +p ( ) x y z ( ) y z x dq = du + dw C = dq dt ( ) p C p C = T T ( ) z = 1 x y ( ). T p F = U TS G = H TS G = j µ j N j Den termodynamiske identitet: TdS = du +pd j µ j dn j Ideell gass tilstandsligning: van der Waals tilstandsligning: Adiabatisk prosess: Joule-Thomson-koeffisienten: PCH 4.18: irkningsgrad for varmekraftmaskin: irkningsgrad for Carnot-maskin: p = NkT = nrt p = NkT Nb an2 2 µ JT = ( ) U T dq = 0 = T ( ) T p H ( ) p T η = W Q inn η C = 1 T 1 T 2 p

TFY4165/FY1005 12. august 2013 Side 7 av 8 Maxwells hastighetsfordeling: g(v x ) = Gauss-integraler: ( ) m 1/2 ( ) e mv2 x m 3/2 /2kT F(v) = e mv2 /2kT 2πkT 2πkT I 2 (α) = I 0 (α) = e αx2 dx = π α x 2 e αx2 dx = d dα I 0(α) etc ( ) m 3/2 f(v) = 4π v 2 e mv2 /2kT 2πkT Det klassiske ekvipartisjonsprinsippet: Hver frihetsgrad som inngår kvadratisk i energifunksjonen E bidrar med kt/2 til midlere energi. Partisjonsfunksjon: Z = j e E j/kt = e βf (β = 1/kT) Kjøleskap, virkningsgrad (effektfaktor): armepumpe, virkningsgrad (effektfaktor): Entropi og Clausius ulikhet: Boltzmanns prinsipp: Stirlings formel: Eksergi: Kjemisk potensial: Ideell blanding: Clausius-Clapeyrons ligning: Strålingshulrom, frekvensfordeling: Stefan-Boltzmanns lov: ds = dq rev T ε K = Q ut W ε = Q inn W ds = 0 S = klnw dq T 0 N! = 2πNN N e N (N ) W max = G med G = U T 0 S +p 0 S mix = k j µ j = ( ) G N j N j lnx j dp dt = S p,t,n i j µ j = µ 0 j +kt lnx j du df = 8πh c 3 f 3 exp(hf/kt) 1 I(T) = c 4 u(t) = σt4 (σ = 2π 5 k 4 /15h 3 c 2 )

TFY4165/FY1005 12. august 2013 Side 8 av 8 Fouriers lov: armeledningsligningen: Ficks lov: Diffusjonsligningen: U-verdi: Midlere fri veilengde, fortynnet gass: armeledningsevne, fortynnet gass: Diffusjonskonstant, fortynnet gass: Fysiske konstanter: j = κ T ; j = Q/A T t = D T 2 T j = D n n t = D 2 n j = U T λ = 1 2nσ κ = 2c 3σ D = κ nc kt πm k = 1.38 10 23 J/K R = 8.31 J/molK N A = 6.02 10 23 mol 1 h = 6.63 10 34 Js e = 1.60 10 19 C m e = 9.11 10 31 kg u = 1.66 10 27 kg c = 3.00 10 8 m/s σ = 5.67 10 8 W/m 2 K 4 Omregningsfaktorer: 1 e = 1.60 10 19 J 1 Å = 10 10 m 1 cal = 4.184 J 1 bar = 10 5 Pa 1 atm = 1.013 10 5 Pa