XI-Physics CH-6
Heat and Thermodynamics
| TOPIC 1Kinetic Theory and Ideal Gas Equation | |||||||||||||||||
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SQ 6.1.1
What is thermodynamics? |
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SQ 6.1.2
Why does thermodynamics play a key role in technology? |
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SQ 6.1.3
What is studied in the chapter of heat and thermodynamics? |
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SQ 6.1.4
What does the kinetic theory of gases explain? |
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SQ 6.1.5
In which branches of science is the kinetic theory of gases a fundamental theory? |
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SQ 6.1.6
What is the first assumption of the kinetic theory of gases? |
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SQ 6.1.7
With what do the moving gas molecules collide? |
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SQ 6.1.8
Why is the volume of individual gas molecules considered negligible? |
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SQ 6.1.9
What is assumed about the forces between gas molecules? |
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SQ 6.1.10
When do gas molecules exert force on one another? |
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SQ 6.1.11
What is meant by elastic collisions of gas molecules? |
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SQ 6.1.12
Why is a gas assumed to contain a large number of particles? |
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SQ 6.1.13
How is the average kinetic energy of gas particles related to temperature? |
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SQ 6.1.14
How does a gas exert pressure on the walls of its container? |
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SQ 6.1.15
Why is the time of collision of gas particles neglected? |
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SQ 6.1.16
For which type of gas do the assumptions of the kinetic theory hold true? |
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SQ 6.1.17
What are the limitations of the kinetic molecular theory? |
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SQ 6.1.18
What does the kinetic theory of gases serve as a foundation for? |
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SQ 6.1.19
What is an ideal gas? Write the ideal gas equation. |
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SQ 6.1.20
What is the value of the universal gas constant? |
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SQ 6.1.21
What does the ideal gas equation imply? |
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SQ 6.1.22
What conditions must be satisfied for a real gas to behave like an ideal gas? |
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SQ 6.1.23
Write the relation for the number of moles of a gas. |
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SQ 6.1.24
Write the ideal gas equation in terms of mass and molar mass. |
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SQ 6.1.25
Show that the density of a gas depends on its pressure and temperature. |
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SQ 6.1.26
Why is the density of a gas low at low pressure and high temperature? |
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SQ 6.1.27
Under what conditions does a real gas behave like an ideal gas? |
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SQ 6.1.28
Define a mole in terms of Avogadro’s number. |
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SQ 6.1.29
What is the value of Avogadro’s number? |
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SQ 6.1.30
Define Boltzmann constant and give its value. |
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SQ 6.1.31
Write the ideal gas equation in terms of Boltzmann constant. |
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SQ 6.1.32
Derive the ideal gas equation in the form $PV=Nk_BT$. |
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SQ 6.1.33
Why is Boltzmann constant obtained by dividing R by Avogadro’s number? |
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SQ 6.1.34
One mole of an ideal gas is at 300 K. Calculate its volume at a pressure of 1 atm. |
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SQ 6.1.35
How does the behaviour of real gases differ from an ideal gas at high pressure? |
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SQ 6.1.36
How does the behaviour of real gases differ from an ideal gas at low temperature? |
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SQ 6.1.37
Under what conditions do real gases approach ideal behaviour? |
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SQ 6.1.38
What is meant by perpetual random motion of gas molecules? |
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| TOPIC 2Gas Laws | |||||||||||||||||
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SQ 6.2.1
What are gas laws? |
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SQ 6.2.2
Name the state functions which describe the quantity of a gas. |
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SQ 6.2.3
State Boyle’s law. |
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SQ 6.2.4
Write Boyle’s law for two different states of a gas. |
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SQ 6.2.5
Who introduced Boyle’s law and when? |
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SQ 6.2.6
State Charles’ law. |
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SQ 6.2.7
Write Charles’ law for two different states of a gas. |
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SQ 6.2.8
Who formulated Charles’ law and when? |
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SQ 6.2.9
State Joseph Gay-Lussac’s law. |
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SQ 6.2.10
Write Gay-Lussac’s law for two different states of a gas. |
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SQ 6.2.11
What does the graph of Charles’ law show? |
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SQ 6.2.12
Which quantity is kept constant in each of the three gas laws? |
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SQ 6.2.13
Which gas law is applied when a gas changes at constant temperature? |
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SQ 6.2.14
A gas occupies 6.0 L at a pressure of 12 atm. Find its volume when the pressure is increased by 2.0 atm at constant temperature. |
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| TOPIC 3Thermal Equilibrium and Internal Energy | |||||||||||||||||
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SQ 6.3.1
What is meant by thermal equilibrium? |
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SQ 6.3.2
To what is thermal energy of a body related? |
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SQ 6.3.3
Give an example of thermal equilibrium. |
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SQ 6.3.4
When is thermal equilibrium achieved between coffee and a spoon? |
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SQ 6.3.5
What is internal energy? |
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SQ 6.3.6
Which substance is usually considered as the working substance in thermodynamics? |
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SQ 6.3.7
Why is the internal energy of an ideal gas only translational kinetic energy? |
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SQ 6.3.8
How is temperature of a system defined in the kinetic theory? |
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SQ 6.3.9
How is the internal energy of an ideal gas related to its temperature? |
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SQ 6.3.10
Write the expression for average kinetic energy of gas molecules. |
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SQ 6.3.11
What does a rise in temperature of an object reflect? |
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SQ 6.3.12
How does absorption of heat increase the temperature of an object? |
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SQ 6.3.13
Why is internal energy called a function of state? |
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SQ 6.3.14
How is internal energy similar to gravitational potential energy? |
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SQ 6.3.15
Which processes can change the internal energy of a system? |
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SQ 6.3.16
Does temperature change during a phase change? |
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SQ 6.3.17
What energies does a diatomic gas molecule possess? |
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SQ 6.3.18
Why does the internal energy of an ideal gas depend only on its temperature? |
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| TOPIC 4Heat and Work | |||||||||||||||||
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SQ 6.4.1
What do heat and work correspond to? |
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SQ 6.4.2
To what was the idea of heat in and work out first applied? |
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SQ 6.4.3
Why are heat in and work out taken as positive quantities? |
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SQ 6.4.4
What sign convention is used for work in thermodynamics? |
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SQ 6.4.5
What happens when an amount of heat enters a system? |
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SQ 6.4.6
Describe the arrangement used to express work in measurable variables. |
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SQ 6.4.7
Derive the expression for work done by an expanding gas. |
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SQ 6.4.8
Why must the gas expand slowly while calculating work done? |
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SQ 6.4.9
How is work done represented on a P-V graph? |
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SQ 6.4.10
Show that the area under a P-V graph is equal to the work done. |
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SQ 6.4.11
How is work done (i) by a gas (ii) on a gas? |
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SQ 6.4.12
What are the laws of thermodynamics? |
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| TOPIC 5First Law and Thermodynamic Processes | |||||||||||||||||
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SQ 6.5.1
What happens when heat is added to a system? |
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SQ 6.5.2
State the first law of thermodynamics. |
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SQ 6.5.3
Write the first law of thermodynamics in terms of change in internal energy. |
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SQ 6.5.4
Why is the change in internal energy the same for all processes concerning the state? |
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SQ 6.5.5
Which conservation principle underlies the first law of thermodynamics? |
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SQ 6.5.6
Give an example of energy changing from one form to another. |
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SQ 6.5.7
What is meant by the wider applicability of the first law of thermodynamics? |
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SQ 6.5.8
What does the first law allow scientists and engineers to do? |
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SQ 6.5.9
How does the first law express the law of conservation of energy? |
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SQ 6.5.10
Explain the bicycle pump as an example of the first law of thermodynamics. |
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SQ 6.5.11
How is the air temperature monitored in the bicycle pump experiment? |
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SQ 6.5.12
Why do human beings and other animals need energy? |
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SQ 6.5.13
How does human metabolism illustrate energy conservation? |
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SQ 6.5.14
A gas at a pressure of 8000 N m⁻² pushes a piston of area 0.10 m² through 4.0 cm. Find the work done. |
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SQ 6.5.15
If 42 J of heat is transferred to a gas which does 32 J of work, find the change in internal energy. |
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SQ 6.5.16
A gas absorbs 500 J of heat and performs 300 J of work on its surroundings. Find the change in internal energy. |
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SQ 6.5.17
What is an isothermal process? |
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SQ 6.5.18
What remains constant during an isothermal change? |
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SQ 6.5.19
Why does the first law reduce to Q = W for an isothermal process? |
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SQ 6.5.20
What must be supplied to a gas during an isothermal expansion? |
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SQ 6.5.21
Why must an isothermal change take place slowly? |
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SQ 6.5.22
What is an isotherm? |
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SQ 6.5.23
What is an adiabatic process? |
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SQ 6.5.24
Why does the temperature of a gas fall during adiabatic expansion? |
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SQ 6.5.25
Why does adiabatic compression raise the temperature of a gas? |
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SQ 6.5.26
When does an adiabatic change occur? |
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SQ 6.5.27
Give three examples of adiabatic processes. |
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SQ 6.5.28
Write the relation for an adiabatic process and define gamma. |
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SQ 6.5.29
Why is $PV^{\gamma}=\text{constant}$ used instead of $PV=\text{constant}$ for an adiabatic change? |
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SQ 6.5.30
What is an adiabat? |
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SQ 6.5.31
Why is an adiabat steeper than an isotherm? |
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SQ 6.5.32
Differentiate between an isothermal and an adiabatic process. |
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SQ 6.5.33
What happens to the temperature and pressure of a gas expanding adiabatically? |
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SQ 6.5.34
How is the first law of thermodynamics applied to an isothermal process? |
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SQ 6.5.35
How is the first law of thermodynamics applied to an adiabatic process? |
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SQ 6.5.36
What is the sign convention for heat in the first law of thermodynamics? |
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| TOPIC 6Reversible and Irreversible Processes | |||||||||||||||||
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SQ 6.6.1
What is a reversible process? |
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SQ 6.6.2
What happens in the reverse of a reversible process? |
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SQ 6.6.3
What happens to the heat absorbed in the direct process during the reverse process? |
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SQ 6.6.4
What happens to the work done in the reverse of a reversible process? |
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SQ 6.6.5
What is a cycle and a reversible cycle? |
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SQ 6.6.6
Is any actual change completely reversible? |
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SQ 6.6.7
Give examples of practically reversible processes. |
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SQ 6.6.8
How can the slow compression of a gas in a cylinder be reversed? |
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SQ 6.6.9
What is an irreversible process? |
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SQ 6.6.10
Which changes are irreversible? |
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SQ 6.6.11
Give an example of a highly irreversible process. |
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SQ 6.6.12
Differentiate between reversible and irreversible processes. |
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| TOPIC 7Heat Engine | |||||||||||||||||
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SQ 6.7.1
What is a heat engine? |
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SQ 6.7.2
From where does the heat supplied to a heat engine usually come? |
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SQ 6.7.3
Which was the earliest heat engine? |
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SQ 6.7.4
On which observation was the steam engine developed? |
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SQ 6.7.5
Who developed the first heat engines and when? |
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SQ 6.7.6
State the working principle of a heat engine. |
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SQ 6.7.7
Through what kind of process does a heat engine operate? |
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SQ 6.7.8
Why is the net work done by a heat engine equal to the net heat absorbed? |
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| TOPIC 8Second Law of Thermodynamics | |||||||||||||||||
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SQ 6.8.1
Why was the second law of thermodynamics needed? |
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SQ 6.8.2
With what is the second law of thermodynamics concerned? |
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SQ 6.8.3
Describe the actual operation of a heat engine. |
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SQ 6.8.4
What is the efficiency of practical petrol and diesel engines? |
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SQ 6.8.5
What does a petrol engine of a motor car do with the heat of the burning fuel? |
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SQ 6.8.6
State Lord Kelvin’s statement of the second law of thermodynamics. |
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SQ 6.8.7
Can a single heat reservoir be made to perform work? |
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SQ 6.8.8
Why can the heat contents of the oceans and atmosphere not be used to do work? |
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SQ 6.8.9
What is essential for the working of a heat engine? |
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SQ 6.8.10
Can a cyclic reversible heat engine absorb heat at constant temperature and convert it completely into work? |
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| TOPIC 9Carnot Engine and Carnot Theorem | |||||||||||||||||
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SQ 6.9.1
What is a Carnot engine? |
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SQ 6.9.2
Who described the ideal heat engine and in which year? |
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SQ 6.9.3
Which processes are used in a Carnot cycle? |
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SQ 6.9.4
Name the four steps of the Carnot cycle. |
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SQ 6.9.5
Describe the first step of the Carnot cycle. |
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SQ 6.9.6
Describe the second step of the Carnot cycle. |
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SQ 6.9.7
Describe the third step of the Carnot cycle. |
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SQ 6.9.8
Describe the fourth step of the Carnot cycle. |
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SQ 6.9.9
Why is each process of the Carnot cycle perfectly reversible? |
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SQ 6.9.10
Why is the change in internal energy zero in a Carnot cycle? |
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SQ 6.9.11
How is the net work done in one Carnot cycle determined? |
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SQ 6.9.12
Define the efficiency of a heat engine. |
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SQ 6.9.13
Write the expression for the efficiency of a Carnot engine. |
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SQ 6.9.14
Why can the efficiency of a Carnot engine be written in terms of temperature? |
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SQ 6.9.15
Write the expression for percentage efficiency of a Carnot engine. |
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SQ 6.9.16
In which unit must the reservoir temperatures be taken in the efficiency formula? |
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SQ 6.9.17
On what factors does the efficiency of a Carnot engine depend? |
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SQ 6.9.18
What is the effect of the temperature difference of the two reservoirs on efficiency? |
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SQ 6.9.19
Why can the efficiency of a Carnot engine never be 100%? |
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SQ 6.9.20
What does the Carnot cycle establish? |
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SQ 6.9.21
State Carnot’s theorem. |
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SQ 6.9.22
State the extended form of Carnot’s theorem. |
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SQ 6.9.23
How can the efficiency of a practical heat engine be increased? |
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SQ 6.9.24
Why are all real heat engines less efficient than a Carnot engine? |
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SQ 6.9.25
A steam turbine takes steam at 427 °C and exhausts at 77 °C. Find its maximum possible efficiency. |
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SQ 6.9.26
A Carnot engine operates between 600 K and 300 K. Find its maximum possible efficiency. |
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SQ 6.9.27
A Carnot engine of 50% efficiency absorbs 500 J of heat from the hot reservoir. Find its work output. |
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SQ 6.9.28
Is it possible to construct a heat engine of 100% efficiency? |
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| TOPIC 10Refrigerator | |||||||||||||||||
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SQ 6.10.1
What is a refrigerator? |
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SQ 6.10.2
How does a refrigerator operate compared with a heat engine? |
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SQ 6.10.3
From where does a refrigerator absorb heat and where does it give it off? |
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SQ 6.10.4
How does a refrigerator differ from a heat engine? |
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SQ 6.10.5
On which statement of the second law does a refrigerator work? |
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SQ 6.10.6
Which part of a refrigerator draws heat from the low temperature reservoir? |
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SQ 6.10.7
Write the relation for heat rejected by a refrigerator to the hot reservoir. |
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SQ 6.10.8
What is the main purpose of a refrigerator? |
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SQ 6.10.9
Define the coefficient of performance of a refrigerator. |
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SQ 6.10.10
Write the coefficient of performance in terms of temperature. |
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SQ 6.10.11
What makes one refrigerator better than another? |
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SQ 6.10.12
A refrigerator transfers heat from a cold to a hot body. Does this violate the second law of thermodynamics? |
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SQ 6.10.13
A refrigerator has a coefficient of performance 8 and its freezer is at −23 °C. Find the temperature at which it rejects heat. |
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SQ 6.10.14
A refrigerator extracts 1200 J of heat and releases 1800 J to the surroundings. Find the work done on it. |
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SQ 6.10.15
A refrigerator extracts 1200 J of heat with a work input of 600 J. Find its coefficient of performance. |
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SQ 6.10.16
In which direction does a refrigerator transfer heat and why is work needed? |
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| TOPIC 11Entropy | |||||||||||||||||
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SQ 6.11.1
Who introduced the concept of entropy and why? |
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SQ 6.11.2
What does entropy provide in the description of a system? |
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SQ 6.11.3
Define entropy and write its mathematical form. |
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SQ 6.11.4
What is the SI unit of entropy? |
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SQ 6.11.5
When is the change in entropy positive and when is it negative? |
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SQ 6.11.6
Why is the change in entropy important rather than entropy itself? |
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SQ 6.11.7
Show that heat flow from a hot to a cold reservoir increases entropy. |
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SQ 6.11.8
What follows from the fact that heat flow always increases entropy? |
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SQ 6.11.9
State the second law of thermodynamics in terms of entropy. |
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SQ 6.11.10
Towards which state does a natural process tend to proceed? |
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SQ 6.11.11
Why does an irreversible heat flow increase disorder? |
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SQ 6.11.12
Why does the addition of heat to a system increase its entropy? |
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SQ 6.11.13
Why does free expansion of a gas increase its entropy? |
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SQ 6.11.14
Which processes are probable in terms of entropy? |
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SQ 6.11.15
What happens to entropy in reversible and irreversible processes? |
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SQ 6.11.16
What is lost every time the entropy of a system increases? |
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SQ 6.11.17
What happens when hot and cold water are mixed? |
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SQ 6.11.18
What is meant by degradation of energy? |
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SQ 6.11.19
What happens to the energy available for useful work in all real processes? |
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SQ 6.11.20
What happens to the entropy of the universe? |
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SQ 6.11.21
Explain the heat death of the universe in terms of entropy. |
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SQ 6.11.22
Calculate the entropy change when 1.0 kg of ice at 0 °C melts into water at 0 °C. |
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SQ 6.11.23
What does the increase in entropy measure when ice melts into water? |
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SQ 6.11.24
Why is an increase in temperature said to increase the disorder of a system? |
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