4.A : La deuxième loi de la thermodynamique (réponse)
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4.1. Un moteur thermique parfait aurait\(\displaystyle Q_c=0\), ce qui conduirait à\(\displaystyle e=1−Q_c/Q_h=1\). Un réfrigérateur parfait ne nécessiterait aucun travail, c'est-à-dire\(\displaystyle W=0\), ce qui conduit à\(\displaystyle K_R=Q_c/W→∞\).
4.2. Depuis le moteur sur la droite, nous avons\(\displaystyle W=Q′_h−Q′_c\). Depuis le réfrigérateur sur la droite, nous avons\(\displaystyle Q_h=Q_c+W\). Ainsi,\(\displaystyle W=Q′_h−Q′_c=Q_h−Q_c\).
4.3. un\(\displaystyle e=1−T_c/T_h=0.55\) ;.
b.\(\displaystyle Q_h=eW=9.1J\) ;
c.\(\displaystyle Q_c=Q_h−W=4.1J\) ;
d.\(\displaystyle −273°C\) et\(\displaystyle 400°C\)
4.4. un\(\displaystyle K_R=T_c/(T_h−T_c)=10.9\) ;.
b.\(\displaystyle Q_c=K_RW=2.18kJ\) ;
c.\(\displaystyle Q_h=Q_c+W=2.38kJ\)
4.5. Lorsque la chaleur circule du réservoir vers la glace, l'énergie interne (principalement cinétique) de la glace augmente, ce qui se traduit par une vitesse moyenne plus élevée et donc une plus grande variance de position moyenne des molécules dans la glace. Le réservoir devient plus ordonné, mais en raison de sa quantité beaucoup plus importante de molécules, il ne compense pas le changement d'entropie dans le système.
4.6. \(\displaystyle −Q/T_h; Q/T_c\); et\(\displaystyle Q(T_h−T_c)/(T_hT_c)\)
4.7. a. 4,71 J/K ;
b. −4,18 J/K ;
environ 0,53 J/K
Questions conceptuelles
1. Parmi les solutions possibles, citons le mouvement sans friction, la compression ou l'expansion restreintes, le transfert d'énergie sous forme de chaleur dû à une hétérogénéité infinitésimale de la température, le passage du courant électrique à travers une résistance nulle, une réaction chimique limitée et le mélange de deux échantillons de la même substance au même état.
3. La température augmente car la production de chaleur derrière le réfrigérateur est supérieure au refroidissement depuis l'intérieur du réfrigérateur.
5. Si nous combinons un moteur parfait et un vrai réfrigérateur, le moteur convertissant la chaleur Q du réservoir chaud en travail\(\displaystyle W=Q\) pour faire fonctionner le réfrigérateur, alors la chaleur déversée dans le réservoir chaud par le réfrigérateur sera\(\displaystyle W+ΔQ\), ce qui se traduira par un transfert parfait du réfrigérateur chaleur\(\displaystyle ΔQ\) du réservoir froid vers le réservoir chaud sans autre effet.
7. Les pompes à chaleur peuvent extraire efficacement la chaleur du sol pour la chauffer par temps frais ou l'extraire de la chaleur de la maison par temps chaud. L'inconvénient des pompes à chaleur est qu'elles sont plus coûteuses que les alternatives, nécessitent un entretien et ne fonctionnent pas efficacement lorsque les différences de température entre l'intérieur et l'extérieur sont très importantes. Le chauffage électrique coûte beaucoup moins cher à l'achat qu'une pompe à chaleur ; toutefois, il peut être plus coûteux de le faire fonctionner en fonction des tarifs de l'électricité et de la quantité d'énergie consommée.
9. Un réacteur nucléaire doit avoir une température plus basse pour fonctionner, de sorte que son efficacité ne sera pas aussi élevée qu'une centrale à combustibles fossiles. Cet argument ne prend pas en compte la quantité d'énergie par réaction : l'énergie nucléaire produit beaucoup plus d'énergie que les combustibles fossiles.
11. Afin d'augmenter l'efficacité, la température du réservoir chaud doit être augmentée et le réservoir froid doit être abaissé autant que possible. Cela se voit dans l'équation 4.3.
13. processus adiabatiques et isothermes
15. L'entropie ne changera pas s'il s'agit d'une transition réversible, mais changera si le processus est irréversible.
17. L'entropie est fonction du trouble, donc toutes les réponses s'appliquent également ici.
Des problèmes
19. \(\displaystyle 11.0×10^3 J\)
21. \(\displaystyle 4.5pV_0\)
23. 0,667
25. a. 0,200 ;
b. 25,0 J
27. a. 0,67 ;
b. 75 J ;
environ 25 J
29. environ 600 J ;
b. 800 J
31. a. 69 J ;
b. 11 J
33. 2,0
35. 50 J
37.
39. a. 381 J ;
b. 619 J
41. environ 546 K ;
b. 137 K
43. —1 J/K
45. —13 J (Mole)
47. \(\displaystyle −\frac{Q}{T_h},\frac{Q}{T_c},Q(\frac{1}{T_c}−\frac{1}{T_h})\)
49. a. —709 J/K ;
b. 1 300 J/K ;
environ 591 J/K
51. un\(\displaystyle Q=nRΔT\) ;.
b.\(\displaystyle S=nRln(T_2/T_1)\)
53. \(\displaystyle 3.78×10^{−3}W/K\)
55. 430 J/K
57. \(\displaystyle 80°C, 80°C, 6.70×10^4J\), 215 J/K, —190 J/K, 25 J/K
59. \(\displaystyle ΔS_{H2O}=215J/K, ΔS_R=−208J/K, ΔS_U=7J/K\)
61. a. 1200 J ;
b. 600 J ;
environ 600 J ;
d. 0,50
63. \(\displaystyle ΔS=nC_Vln(\frac{T_2}{T_1})+nC_pln(\frac{T_3}{T_2})\)
65. a. 0,33, 0,39 ;
b. 0,91
Problèmes supplémentaires
67. \(\displaystyle 1.45×10^7J\)
69. un\(\displaystyle V_B=0.042m^3,V_D=0.018m^3\) ;.
b. 13 000 J ;
environ 13 000 J ;
d. —8 000 J ;
e. —8 000 J ;
f. 6200 J ;
g. 6 200 J ;
h. 39 % ; avec des températures, l'efficacité est de 40 %, ce qui est probablement faux en raison d'erreurs d'arrondissement.
71. —670 J/K
73. a. —570 J/K ;
b. 570 J/K
75. 82 J/K
77. a. 2000 J ;
b. 40 %
79. 60 %
81. 64,4 %
Problèmes liés au défi
83. dériver
85. dériver
87. 18 J/K
89. preuve
91. \(\displaystyle K_R=\frac{3(p_1−p_2)V_1}{5p_2V_3−3p_1V_1−p_2V_1}\)
93. \(\displaystyle W=110,000J\)