asp net pdf viewer user control c# : Split pdf into multiple files SDK control API .net web page wpf sharepoint PHYS101_OpenStaxCollege_College-Physics54-part1806

Figure 15.40(a) The ordinary state of gas in a container is a disorderly, random distribution of atoms or molecules with a Maxwell-Boltzmann distribution of speeds. It is so
unlikely that these atoms or molecules would ever end up in one corner of the container that it might as well be impossible. (b) With energy transfer, the gas can be forced into
one corner and its entropy greatly reduced. But left alone, it will spontaneously increase its entropy and return to the normal conditions, because they are immensely more
likely.
The disordered condition is one of high entropy, and the ordered one has low entropy. With a transfer of energy from another system, we could force
all of the atoms into one corner and have a local decrease in entropy, but at the cost of an overall increase in entropy of the universe. If the atoms
start out in one corner, they will quickly disperse and become uniformly distributed and will never return to the orderly original state (Figure 15.40(b)).
Entropy will increase. With such a large sample of atoms, it is possible—but unimaginably unlikely—for entropy to decrease. Disorder is vastly more
likely than order.
The arguments that disorder and high entropy are the most probable states are quite convincing. The great Austrian physicist Ludwig Boltzmann
(1844–1906)—who, along with Maxwell, made so many contributions to kinetic theory—proved that the entropy of a system in a given state (a
macrostate) can be written as
(15.68)
S=klnW,
where
k=1.38×10
−23
J/K
is Boltzmann’s constant, and
lnW
is the natural logarithm of the number of microstates
W
corresponding to the
given macrostate.
W
is proportional to the probability that the macrostate will occur. Thus entropy is directly related to the probability of a state—the
more likely the state, the greater its entropy. Boltzmann proved that this expression for
S
is equivalent to the definition
ΔS=Q/T
, which we have
used extensively.
Thus the second law of thermodynamics is explained on a very basic level: entropy either remains the same or increases in every process. This
phenomenon is due to the extraordinarily small probability of a decrease, based on the extraordinarily larger number of microstates in systems with
greater entropy. Entropycandecrease, but for any macroscopic system, this outcome is so unlikely that it will never be observed.
Example 15.9Entropy Increases in a Coin Toss
Suppose you toss 100 coins starting with 60 heads and 40 tails, and you get the most likely result, 50 heads and 50 tails. What is the change in
entropy?
Strategy
Noting that the number of microstates is labeled
W
inTable 15.4for the 100-coin toss, we can use
ΔS=S
f
S
i
=klnW
f
-klnW
i
to
calculate the change in entropy.
Solution
The change in entropy is
(15.69)
ΔS=S
f
S
i
=klnW
f
klnW
i,
where the subscript i stands for the initial 60 heads and 40 tails state, and the subscript f for the final 50 heads and 50 tails state. Substituting the
values for
W
fromTable 15.4gives
(15.70)
Δ= (1.38×10
–23
J/K)[ln(1.0×10
29
)–ln(1.4×10
28
)]
= 2.7×10
–23
J/K
CHAPTER 15 | THERMODYNAMICS S 539
Split pdf into multiple files - Split, seperate PDF into multiple files in C#.net, ASP.NET, MVC, Ajax, WinForms, WPF
Explain How to Split PDF Document in Visual C#.NET Application
can't cut and paste from pdf; c# split pdf
Split pdf into multiple files - VB.NET PDF File Split Library: Split, seperate PDF into multiple files in vb.net, ASP.NET, MVC, Ajax, WinForms, WPF
VB.NET PDF Document Splitter Control to Disassemble PDF Document
combine pages of pdf documents into one; acrobat separate pdf pages
adiabatic process:
Carnot cycle:
Carnot efficiency:
Carnot engine:
change in entropy:
coefficient of performance:
cyclical process:
entropy:
first law of thermodynamics:
heat engine:
heat pump:
human metabolism:
internal energy:
irreversible process:
isobaric process:
isochoric process:
isothermal process:
macrostate:
microstate:
Otto cycle:
reversible process:
Discussion
This increase in entropy means we have moved to a less orderly situation. It is not impossible for further tosses to produce the initial state of 60
heads and 40 tails, but it is less likely. There is about a 1 in 90 chance for that decrease in entropy (
–2.7×10
–23
J/K
) to occur. If we
calculate the decrease in entropy to move to the most orderly state, we get
ΔS= –92×10
–23
J/K
. There is about a
1 in 10
30
chance of
this change occurring. So while very small decreases in entropy are unlikely, slightly greater decreases are impossibly unlikely. These
probabilities imply, again, that for a macroscopic system, a decrease in entropy is impossible. For example, for heat transfer to occur
spontaneously from 1.00 kg of
0ºC
ice to its
0ºC
environment, there would be a decrease in entropy of
1.22×10
3
J/K
. Given that a
ΔS of 10
–21
J/K
corresponds to about a
1 in 10
30
chance, a decrease of this size (
10
3
J/K
) is anutterimpossibility. Even for a milligram
of melted ice to spontaneously refreeze is impossible.
Problem-Solving Strategies for Entropy
1. Examine the situation to determine if entropy is involved.
2. Identify the system of interest and draw a labeled diagram of the system showing energy flow.
3. Identify exactly what needs to be determined in the problem (identify the unknowns).A written list is useful.
4. Make a list of what is given or can be inferred from the problem as stated (identify the knowns).You must carefully identify the heat transfer,
if any, and the temperature at which the process takes place. It is also important to identify the initial and final states.
5. Solve the appropriate equation for the quantity to be determined (the unknown).Note that the change in entropy can be determined
between any states by calculating it for a reversible process.
6. Substitute the known value along with their units into the appropriate equation, and obtain numerical solutions complete with units.
7. To see if it is reasonable: Does it make sense?For example, total entropy should increase for any real process or be constant for a
reversible process. Disordered states should be more probable and have greater entropy than ordered states.
Glossary
a process in which no heat transfer takes place
a cyclical process that uses only reversible processes, the adiabatic and isothermal processes
the maximum theoretical efficiency for a heat engine
a heat engine that uses a Carnot cycle
the ratio of heat transfer to temperature
Q/T
for a heat pump, it is the ratio of heat transfer at the output (the hot reservoir) to the work supplied; for a refrigerator
or air conditioner, it is the ratio of heat transfer from the cold reservoir to the work supplied
a process in which the path returns to its original state at the end of every cycle
a measurement of a system's disorder and its inability to do work in a system
states that the change in internal energy of a system equals the net heat transferintothe system minus the net
work donebythe system
a machine that uses heat transfer to do work
a machine that generates heat transfer from cold to hot
conversion of food into heat transfer, work, and stored fat
the sum of the kinetic and potential energies of a system’s atoms and molecules
any process that depends on path direction
constant-pressure process in which a gas does work
a constant-volume process
a constant-temperature process
an overall property of a system
each sequence within a larger macrostate
a thermodynamic cycle, consisting of a pair of adiabatic processes and a pair of isochoric processes, that converts heat into work,
e.g., the four-stroke engine cycle of intake, compression, ignition, and exhaust
a process in which both the heat engine system and the external environment theoretically can be returned to their original
states
540 CHAPTER 15 | THERMODYNAMICS
This content is available for free at http://cnx.org/content/col11406/1.7
Online Split PDF file. Best free online split PDF tool.
Easy split! We try to make it as easy as possible to split your PDF files into Multiple ones. You can receive the PDF files by simply
pdf rotate single page; can't select text in pdf file
VB.NET PDF File Merge Library: Merge, append PDF files in vb.net
VB.NET Demo code to Combine and Merge Multiple PDF Files into One. This part illustrates how to combine three PDF files into a new file in VB.NET application.
pdf will no pages selected; break pdf into multiple documents
second law of thermodynamics stated in terms of entropy:
second law of thermodynamics:
statistical analysis:
the total entropy of a system either increases or remains constant; it never
decreases
heat transfer flows from a hotter to a cooler object, never the reverse, and some heat energy in any process is
lost to available work in a cyclical process
using statistics to examine data, such as counting microstates and macrostates
Section Summary
15.1The First Law of Thermodynamics
• The first law of thermodynamics is given as
ΔU=QW
, where
ΔU
is the change in internal energy of a system,
Q
is the net heat
transfer (the sum of all heat transfer into and out of the system), and
W
is the net work done (the sum of all work done on or by the system).
• Both
Q
and
W
are energy in transit; only
ΔU
represents an independent quantity capable of being stored.
• The internal energy
U
of a system depends only on the state of the system and not how it reached that state.
• Metabolism of living organisms, and photosynthesis of plants, are specialized types of heat transfer, doing work, and internal energy of systems.
15.2The First Law of Thermodynamics and Some Simple Processes
• One of the important implications of the first law of thermodynamics is that machines can be harnessed to do work that humans previously did
by hand or by external energy supplies such as running water or the heat of the Sun. A machine that uses heat transfer to do work is known as
a heat engine.
• There are several simple processes, used by heat engines, that flow from the first law of thermodynamics. Among them are the isobaric,
isochoric, isothermal and adiabatic processes.
• These processes differ from one another based on how they affect pressure, volume, temperature, and heat transfer.
• If the work done is performed on the outside environment, work (
W
) will be a positive value. If the work done is done to the heat engine
system, work (
W
) will be a negative value.
• Some thermodynamic processes, including isothermal and adiabatic processes, are reversible in theory; that is, both the thermodynamic
system and the environment can be returned to their initial states. However, because of loss of energy owing to the second law of
thermodynamics, complete reversibility does not work in practice.
15.3Introduction to the Second Law of Thermodynamics: Heat Engines and Their Efficiency
• The two expressions of the second law of thermodynamics are: (i) Heat transfer occurs spontaneously from higher- to lower-temperature bodies
but never spontaneously in the reverse direction; and (ii) It is impossible in any system for heat transfer from a reservoir to completely convert to
work in a cyclical process in which the system returns to its initial state.
• Irreversible processes depend on path and do not return to their original state. Cyclical processes are processes that return to their original
state at the end of every cycle.
• In a cyclical process, such as a heat engine, the net work done by the system equals the net heat transfer into the system, or
W=Q
h
Q
c
, where
Q
h
is the heat transfer from the hot object (hot reservoir), and
Q
c
is the heat transfer into the cold object (cold reservoir).
• Efficiency can be expressed as
Eff =
W
Q
h
, the ratio of work output divided by the amount of energy input.
• The four-stroke gasoline engine is often explained in terms of the Otto cycle, which is a repeating sequence of processes that convert heat into
work.
15.4Carnot’s Perfect Heat Engine: The Second Law of Thermodynamics Restated
• The Carnot cycle is a theoretical cycle that is the most efficient cyclical process possible. Any engine using the Carnot cycle, which uses only
reversible processes (adiabatic and isothermal), is known as a Carnot engine.
• Any engine that uses the Carnot cycle enjoys the maximum theoretical efficiency.
• While Carnot engines are ideal engines, in reality, no engine achieves Carnot’s theoretical maximum efficiency, since dissipative processes,
such as friction, play a role. Carnot cycles without heat loss may be possible at absolute zero, but this has never been seen in nature.
15.5Applications of Thermodynamics: Heat Pumps and Refrigerators
• An artifact of the second law of thermodynamics is the ability to heat an interior space using a heat pump. Heat pumps compress cold ambient
air and, in so doing, heat it to room temperature without violation of conservation principles.
• To calculate the heat pump’s coefficient of performance, use the equation
COP
hp
=
Q
h
W
.
• A refrigerator is a heat pump; it takes warm ambient air and expands it to chill it.
15.6Entropy and the Second Law of Thermodynamics: Disorder and the Unavailability of Energy
• Entropy is the loss of energy available to do work.
• Another form of the second law of thermodynamics states that the total entropy of a system either increases or remains constant; it never
decreases.
• Entropy is zero in a reversible process; it increases in an irreversible process.
• The ultimate fate of the universe is likely to be thermodynamic equilibrium, where the universal temperature is constant and no energy is
available to do work.
• Entropy is also associated with the tendency toward disorder in a closed system.
15.7Statistical Interpretation of Entropy and the Second Law of Thermodynamics: The Underlying Explanation
• Disorder is far more likely than order, which can be seen statistically.
CHAPTER 15 | THERMODYNAMICS S 541
C# PDF Page Insert Library: insert pages into PDF file in C#.net
the ability to inserting a new PDF page into existing PDF PDF page using C# .NET, how to reorganize PDF document pages and how to split PDF document in
break pdf documents; pdf file specification
C# PDF File Merge Library: Merge, append PDF files in C#.net, ASP.
C# Demo Code: Combine and Merge Multiple PDF Files into One in .NET. This part illustrates how to combine three PDF files into a new file in C# application.
reader split pdf; pdf print error no pages selected
• The entropy of a system in a given state (a macrostate) can be written as
S=klnW,
where
k=1.38×10
–23
J/K
is Boltzmann’s constant, and
lnW
is the natural logarithm of the number of microstates
W
corresponding to
the given macrostate.
Conceptual Questions
15.1The First Law of Thermodynamics
1.Describe the photo of the tea kettle at the beginning of this section in terms of heat transfer, work done, and internal energy. How is heat being
transferred? What is the work done and what is doing it? How does the kettle maintain its internal energy?
2.The first law of thermodynamics and the conservation of energy, as discussed inConservation of Energy, are clearly related. How do they differ
in the types of energy considered?
3.Heat transfer
Q
and work done
W
are always energy in transit, whereas internal energy
U
is energy stored in a system. Give an example of
each type of energy, and state specifically how it is either in transit or resides in a system.
4.How do heat transfer and internal energy differ? In particular, which can be stored as such in a system and which cannot?
5.If you run down some stairs and stop, what happens to your kinetic energy and your initial gravitational potential energy?
6.Give an explanation of how food energy (calories) can be viewed as molecular potential energy (consistent with the atomic and molecular definition
of internal energy).
7.Identify the type of energy transferred to your body in each of the following as either internal energy, heat transfer, or doing work: (a) basking in
sunlight; (b) eating food; (c) riding an elevator to a higher floor.
15.2The First Law of Thermodynamics and Some Simple Processes
8.A great deal of effort, time, and money has been spent in the quest for the so-called perpetual-motion machine, which is defined as a hypothetical
machine that operates or produces useful work indefinitely and/or a hypothetical machine that produces more work or energy than it consumes.
Explain, in terms of heat engines and the first law of thermodynamics, why or why not such a machine is likely to be constructed.
9.One method of converting heat transfer into doing work is for heat transfer into a gas to take place, which expands, doing work on a piston, as
shown in the figure below. (a) Is the heat transfer converted directly to work in an isobaric process, or does it go through another form first? Explain
your answer. (b) What about in an isothermal process? (c) What about in an adiabatic process (where heat transfer occurred prior to the adiabatic
process)?
Figure 15.41
542 CHAPTER 15 | THERMODYNAMICS
This content is available for free at http://cnx.org/content/col11406/1.7
VB.NET PDF Convert to Jpeg SDK: Convert PDF to JPEG images in vb.
Images. File & Page Process. File: Merge, Append PDF Files. File: Split PDF Document. Turn multiple pages PDF into multiple jpg files in VB.NET class.
split pdf into individual pages; cannot select text in pdf
VB.NET TWAIN: Scanning Multiple Pages into PDF & TIFF File Using
This VB.NET TWAIN pages scanning control add-on is developed to offer programmers an efficient solution to scan multiple pages into one PDF or TIFF
break apart pdf pages; add page break to pdf
10.Would the previous question make any sense for an isochoric process? Explain your answer.
11.We ordinarily say that
ΔU=0
for an isothermal process. Does this assume no phase change takes place? Explain your answer.
12.The temperature of a rapidly expanding gas decreases. Explain why in terms of the first law of thermodynamics. (Hint: Consider whether the gas
does work and whether heat transfer occurs rapidly into the gas through conduction.)
13.Which cyclical process represented by the two closed loops, ABCFA and ABDEA, on the
PV
diagram in the figure below produces the greatest
network? Is that process also the one with the smallest work input required to return it to point A? Explain your responses.
Figure 15.42The two cyclical processes shown on this
PV
diagram start with and return the system to the conditions at point A, but they follow different paths and produce
different amounts of work.
14.A real process may be nearly adiabatic if it occurs over a very short time. How does the short time span help the process to be adiabatic?
15.It is unlikely that a process can be isothermal unless it is a very slow process. Explain why. Is the same true for isobaric and isochoric processes?
Explain your answer.
15.3Introduction to the Second Law of Thermodynamics: Heat Engines and Their Efficiency
16.Imagine you are driving a car up Pike’s Peak in Colorado. To raise a car weighing 1000 kilograms a distance of 100 meters would require about a
million joules. You could raise a car 12.5 kilometers with the energy in a gallon of gas. Driving up Pike's Peak (a mere 3000-meter climb) should
consume a little less than a quart of gas. But other considerations have to be taken into account. Explain, in terms of efficiency, what factors may
keep you from realizing your ideal energy use on this trip.
17.Is a temperature difference necessary to operate a heat engine? State why or why not.
18.Definitions of efficiency vary depending on how energy is being converted. Compare the definitions of efficiency for the human body and heat
engines. How does the definition of efficiency in each relate to the type of energy being converted into doing work?
19.Why—other than the fact that the second law of thermodynamics says reversible engines are the most efficient—should heat engines employing
reversible processes be more efficient than those employing irreversible processes? Consider that dissipative mechanisms are one cause of
irreversibility.
15.4Carnot’s Perfect Heat Engine: The Second Law of Thermodynamics Restated
20.Think about the drinking bird at the beginning of this section (Figure 15.21). Although the bird enjoys the theoretical maximum efficiency possible,
if left to its own devices over time, the bird will cease “drinking.” What are some of the dissipative processes that might cause the bird’s motion to
cease?
21.Can improved engineering and materials be employed in heat engines to reduce heat transfer into the environment? Can they eliminate heat
transfer into the environment entirely?
22.Does the second law of thermodynamics alter the conservation of energy principle?
15.5Applications of Thermodynamics: Heat Pumps and Refrigerators
23.Explain why heat pumps do not work as well in very cold climates as they do in milder ones. Is the same true of refrigerators?
24.In some Northern European nations, homes are being built without heating systems of any type. They are very well insulated and are kept warm
by the body heat of the residents. However, when the residents are not at home, it is still warm in these houses. What is a possible explanation?
25.Why do refrigerators, air conditioners, and heat pumps operate most cost-effectively for cycles with a small difference between
T
h
and
T
c
?
(Note that the temperatures of the cycle employed are crucial to its
COP
.)
26.Grocery store managers contend that there islesstotal energy consumption in the summer if the store is kept at alowtemperature. Make
arguments to support or refute this claim, taking into account that there are numerous refrigerators and freezers in the store.
27.Can you cool a kitchen by leaving the refrigerator door open?
15.6Entropy and the Second Law of Thermodynamics: Disorder and the Unavailability of Energy
28.A woman shuts her summer cottage up in September and returns in June. No one has entered the cottage in the meantime. Explain what she is
likely to find, in terms of the second law of thermodynamics.
29.Consider a system with a certain energy content, from which we wish to extract as much work as possible. Should the system’s entropy be high
or low? Is this orderly or disorderly? Structured or uniform? Explain briefly.
CHAPTER 15 | THERMODYNAMICS S 543
C# PDF: C#.NET PDF Document Merging & Splitting Control SDK
C#.NET PDF Splitter to Split PDF File. In this section, we aims to tell you how to divide source PDF file into two smaller PDF documents at the page
pdf specification; break a pdf into separate pages
VB.NET PDF Library SDK to view, edit, convert, process PDF file
Simply integrate into VB.NET project, supporting conversions to or from multiple supported images formats; merge, append, and split PDF files; insert, delete
pdf no pages selected to print; break apart a pdf in reader
30.Does a gas become more orderly when it liquefies? Does its entropy change? If so, does the entropy increase or decrease? Explain your
answer.
31.Explain how water’s entropy can decrease when it freezes without violating the second law of thermodynamics. Specifically, explain what
happens to the entropy of its surroundings.
32.Is a uniform-temperature gas more or less orderly than one with several different temperatures? Which is more structured? In which can heat
transfer result in work done without heat transfer from another system?
33.Give an example of a spontaneous process in which a system becomes less ordered and energy becomes less available to do work. What
happens to the system’s entropy in this process?
34.What is the change in entropy in an adiabatic process? Does this imply that adiabatic processes are reversible? Can a process be precisely
adiabatic for a macroscopic system?
35.Does the entropy of a star increase or decrease as it radiates? Does the entropy of the space into which it radiates (which has a temperature of
about 3 K) increase or decrease? What does this do to the entropy of the universe?
36.Explain why a building made of bricks has smaller entropy than the same bricks in a disorganized pile. Do this by considering the number of ways
that each could be formed (the number of microstates in each macrostate).
15.7Statistical Interpretation of Entropy and the Second Law of Thermodynamics: The Underlying Explanation
37.Explain why a building made of bricks has smaller entropy than the same bricks in a disorganized pile. Do this by considering the number of ways
that each could be formed (the number of microstates in each macrostate).
544 CHAPTER 15 | THERMODYNAMICS
This content is available for free at http://cnx.org/content/col11406/1.7
Problems & Exercises
15.1The First Law of Thermodynamics
1.What is the change in internal energy of a car if you put 12.0 gal of
gasoline into its tank? The energy content of gasoline is
1.3×10
8
J/gal
. All other factors, such as the car’s temperature, are
constant.
2.How much heat transfer occurs from a system, if its internal energy
decreased by 150 J while it was doing 30.0 J of work?
3.A system does
1.80×10
8
J
of work while
7.50×10
8
J
of heat
transfer occurs to the environment. What is the change in internal
energy of the system assuming no other changes (such as in
temperature or by the addition of fuel)?
4.What is the change in internal energy of a system which does
4.50×10
5
J
of work while
3.00×10
6
J
of heat transfer occurs into
the system, and
8.00×10
6
J
of heat transfer occurs to the
environment?
5.Suppose a woman does 500 J of work and 9500 J of heat transfer
occurs into the environment in the process. (a) What is the decrease in
her internal energy, assuming no change in temperature or
consumption of food? (That is, there is no other energy transfer.) (b)
What is her efficiency?
6.(a) How much food energy will a man metabolize in the process of
doing 35.0 kJ of work with an efficiency of 5.00%? (b) How much heat
transfer occurs to the environment to keep his temperature constant?
Explicitly show how you follow the steps in the Problem-Solving
Strategy for thermodynamics found inProblem-Solving Strategies for
Thermodynamics.
7.(a) What is the average metabolic rate in watts of a man who
metabolizes 10,500 kJ of food energy in one day? (b) What is the
maximum amount of work in joules he can do without breaking down
fat, assuming a maximum efficiency of 20.0%? (c) Compare his work
output with the daily output of a 187-W (0.250-horsepower) motor.
8.(a) How long will the energy in a 1470-kJ (350-kcal) cup of yogurt last
in a woman doing work at the rate of 150 W with an efficiency of 20.0%
(such as in leisurely climbing stairs)? (b) Does the time found in part (a)
imply that it is easy to consume more food energy than you can
reasonably expect to work off with exercise?
9.(a) A woman climbing the Washington Monument metabolizes
6.00×10
2
kJ
of food energy. If her efficiency is 18.0%, how much
heat transfer occurs to the environment to keep her temperature
constant? (b) Discuss the amount of heat transfer found in (a). Is it
consistent with the fact that you quickly warm up when exercising?
15.2The First Law of Thermodynamics and Some
Simple Processes
10.A car tire contains
0.0380m
3
of air at a pressure of
2.20×10
5
N/m
2
(about 32 psi). How much more internal energy
does this gas have than the same volume has at zero gauge pressure
(which is equivalent to normal atmospheric pressure)?
11.A helium-filled toy balloon has a gauge pressure of 0.200 atm and a
volume of 10.0 L. How much greater is the internal energy of the helium
in the balloon than it would be at zero gauge pressure?
12.Steam to drive an old-fashioned steam locomotive is supplied at a
constant gauge pressure of
1.75×10
6
N/m
2
(about 250 psi) to a
piston with a 0.200-m radius. (a) By calculating
PΔV
, find the work
done by the steam when the piston moves 0.800 m. Note that this is the
net work output, since gauge pressure is used. (b) Now find the amount
of work by calculating the force exerted times the distance traveled. Is
the answer the same as in part (a)?
13.A hand-driven tire pump has a piston with a 2.50-cm diameter and a
maximum stroke of 30.0 cm. (a) How much work do you do in one
stroke if the average gauge pressure is
2.40×10
5
N/m
2
(about 35
psi)? (b) What average force do you exert on the piston, neglecting
friction and gravitational force?
14.Calculate the net work output of a heat engine following path
ABCDA in the figure below.
Figure 15.43
15.What is the net work output of a heat engine that follows path ABDA
in the figure above, with a straight line from B to D? Why is the work
output less than for path ABCDA? Explicitly show how you follow the
steps in theProblem-Solving Strategies for Thermodynamics.
16.Unreasonable Results
What is wrong with the claim that a cyclical heat engine does 4.00 kJ of
work on an input of 24.0 kJ of heat transfer while 16.0 kJ of heat
transfers to the environment?
17.(a) A cyclical heat engine, operating between temperatures of
450º C
and
150º C
produces 4.00 MJ of work on a heat transfer of
5.00 MJ into the engine. How much heat transfer occurs to the
environment? (b) What is unreasonable about the engine? (c) Which
premise is unreasonable?
18.Construct Your Own Problem
Consider a car’s gasoline engine. Construct a problem in which you
calculate the maximum efficiency this engine can have. Among the
things to consider are the effective hot and cold reservoir temperatures.
Compare your calculated efficiency with the actual efficiency of car
engines.
19.Construct Your Own Problem
Consider a car trip into the mountains. Construct a problem in which
you calculate the overall efficiency of the car for the trip as a ratio of
kinetic and potential energy gained to fuel consumed. Compare this
efficiency to the thermodynamic efficiency quoted for gasoline engines
and discuss why the thermodynamic efficiency is so much greater.
Among the factors to be considered are the gain in altitude and speed,
the mass of the car, the distance traveled, and typical fuel economy.
15.3Introduction to the Second Law of
Thermodynamics: Heat Engines and Their Efficiency
20.A certain heat engine does 10.0 kJ of work and 8.50 kJ of heat
transfer occurs to the environment in a cyclical process. (a) What was
the heat transfer into this engine? (b) What was the engine’s
efficiency?
21.With
2.56×10
6
J
of heat transfer into this engine, a given cyclical
heat engine can do only
1.50×10
5
J
of work. (a) What is the engine’s
efficiency? (b) How much heat transfer to the environment takes place?
CHAPTER 15 | THERMODYNAMICS S 545
22.(a) What is the work output of a cyclical heat engine having a 22.0%
efficiency and
6.00×10
9
J
of heat transfer into the engine? (b) How
much heat transfer occurs to the environment?
23.(a) What is the efficiency of a cyclical heat engine in which 75.0 kJ
of heat transfer occurs to the environment for every 95.0 kJ of heat
transfer into the engine? (b) How much work does it produce for 100 kJ
of heat transfer into the engine?
24.The engine of a large ship does
2.00×10
8
J
of work with an
efficiency of 5.00%. (a) How much heat transfer occurs to the
environment? (b) How many barrels of fuel are consumed, if each
barrel produces
6.00×10
9
J
of heat transfer when burned?
25.(a) How much heat transfer occurs to the environment by an
electrical power station that uses
1.25×10
14
J
of heat transfer into
the engine with an efficiency of 42.0%? (b) What is the ratio of heat
transfer to the environment to work output? (c) How much work is
done?
26.Assume that the turbines at a coal-powered power plant were
upgraded, resulting in an improvement in efficiency of 3.32%. Assume
that prior to the upgrade the power station had an efficiency of 36% and
that the heat transfer into the engine in one day is still the same at
2.50×10
14
J
. (a) How much more electrical energy is produced due
to the upgrade? (b) How much less heat transfer occurs to the
environment due to the upgrade?
27.This problem compares the energy output and heat transfer to the
environment by two different types of nuclear power stations—one with
the normal efficiency of 34.0%, and another with an improved efficiency
of 40.0%. Suppose both have the same heat transfer into the engine in
one day,
2.50×10
14
J
. (a) How much more electrical energy is
produced by the more efficient power station? (b) How much less heat
transfer occurs to the environment by the more efficient power station?
(One type of more efficient nuclear power station, the gas-cooled
reactor, has not been reliable enough to be economically feasible in
spite of its greater efficiency.)
15.4Carnot’s Perfect Heat Engine: The Second Law of
Thermodynamics Restated
28.A certain gasoline engine has an efficiency of 30.0%. What would
the hot reservoir temperature be for a Carnot engine having that
efficiency, if it operates with a cold reservoir temperature of
200ºC
?
29.A gas-cooled nuclear reactor operates between hot and cold
reservoir temperatures of
700ºC
and
27.0ºC
. (a) What is the
maximum efficiency of a heat engine operating between these
temperatures? (b) Find the ratio of this efficiency to the Carnot
efficiency of a standard nuclear reactor (found inExample 15.4).
30.(a) What is the hot reservoir temperature of a Carnot engine that
has an efficiency of 42.0% and a cold reservoir temperature of
27.0ºC
? (b) What must the hot reservoir temperature be for a real heat engine
that achieves 0.700 of the maximum efficiency, but still has an efficiency
of 42.0% (and a cold reservoir at
27.0ºC
)? (c) Does your answer
imply practical limits to the efficiency of car gasoline engines?
31.Steam locomotives have an efficiency of 17.0% and operate with a
hot steam temperature of
425ºC
. (a) What would the cold reservoir
temperature be if this were a Carnot engine? (b) What would the
maximum efficiency of this steam engine be if its cold reservoir
temperature were
150ºC
?
32.Practical steam engines utilize
450ºC
steam, which is later
exhausted at
270ºC
. (a) What is the maximum efficiency that such a
heat engine can have? (b) Since
270ºC
steam is still quite hot, a
second steam engine is sometimes operated using the exhaust of the
first. What is the maximum efficiency of the second engine if its exhaust
has a temperature of
150ºC
? (c) What is the overall efficiency of the
two engines? (d) Show that this is the same efficiency as a single
Carnot engine operating between
450ºC
and
150ºC
. Explicitly show
how you follow the steps in theProblem-Solving Strategies for
Thermodynamics.
33.A coal-fired electrical power station has an efficiency of 38%. The
temperature of the steam leaving the boiler is
550ºC
. What
percentage of the maximum efficiency does this station obtain?
(Assume the temperature of the environment is
20ºC
.)
34.Would you be willing to financially back an inventor who is
marketing a device that she claims has 25 kJ of heat transfer at 600 K,
has heat transfer to the environment at 300 K, and does 12 kJ of work?
Explain your answer.
35.Unreasonable Results
(a) Suppose you want to design a steam engine that has heat transfer
to the environment at
270ºC
and has a Carnot efficiency of 0.800.
What temperature of hot steam must you use? (b) What is
unreasonable about the temperature? (c) Which premise is
unreasonable?
36.Unreasonable Results
Calculate the cold reservoir temperature of a steam engine that uses
hot steam at
450ºC
and has a Carnot efficiency of 0.700. (b) What is
unreasonable about the temperature? (c) Which premise is
unreasonable?
15.5Applications of Thermodynamics: Heat Pumps
and Refrigerators
37.What is the coefficient of performance of an ideal heat pump that
has heat transfer from a cold temperature of
−25.0ºC
to a hot
temperature of
40.0ºC
?
38.Suppose you have an ideal refrigerator that cools an environment at
−20.0ºC
and has heat transfer to another environment at
50.0ºC
.
What is its coefficient of performance?
39.What is the best coefficient of performance possible for a
hypothetical refrigerator that could make liquid nitrogen at
−200ºC
and has heat transfer to the environment at
35.0ºC
?
40.In a very mild winter climate, a heat pump has heat transfer from an
environment at
5.00ºC
to one at
35.0ºC
. What is the best possible
coefficient of performance for these temperatures? Explicitly show how
you follow the steps in theProblem-Solving Strategies for
Thermodynamics.
41.(a) What is the best coefficient of performance for a heat pump that
has a hot reservoir temperature of
50.0ºC
and a cold reservoir
temperature of
−20.0ºC
? (b) How much heat transfer occurs into the
warm environment if
3.60×10
7
J
of work (
10.0kW⋅h
) is put into
it? (c) If the cost of this work input is
10.0 cents/kW⋅h
, how does its
cost compare with the direct heat transfer achieved by burning natural
gas at a cost of 85.0 cents per therm. (A therm is a common unit of
energy for natural gas and equals
1.055×10
8
J
.)
42.(a) What is the best coefficient of performance for a refrigerator that
cools an environment at
−30.0ºC
and has heat transfer to another
environment at
45.0ºC
? (b) How much work in joules must be done
for a heat transfer of 4186 kJ from the cold environment? (c) What is
the cost of doing this if the work costs 10.0 cents per
3.60×10
6
J
(a
kilowatt-hour)? (d) How many kJ of heat transfer occurs into the warm
environment? (e) Discuss what type of refrigerator might operate
between these temperatures.
43.Suppose you want to operate an ideal refrigerator with a cold
temperature of
−10.0ºC
, and you would like it to have a coefficient of
performance of 7.00. What is the hot reservoir temperature for such a
refrigerator?
546 CHAPTER 15 | THERMODYNAMICS
This content is available for free at http://cnx.org/content/col11406/1.7
44.An ideal heat pump is being considered for use in heating an
environment with a temperature of
22.0ºC
. What is the cold reservoir
temperature if the pump is to have a coefficient of performance of 12.0?
45.A 4-ton air conditioner removes
5.06×10
7
J
(48,000 British
thermal units) from a cold environment in 1.00 h. (a) What energy input
in joules is necessary to do this if the air conditioner has an energy
efficiency rating (
EER
) of 12.0? (b) What is the cost of doing this if the
work costs 10.0 cents per
3.60×10
6
J
(one kilowatt-hour)? (c)
Discuss whether this cost seems realistic. Note that the energy
efficiency rating (
EER
) of an air conditioner or refrigerator is defined to
be the number of British thermal units of heat transfer from a cold
environment per hour divided by the watts of power input.
46.Show that the coefficients of performance of refrigerators and heat
pumps are related by
COP
ref
=COP
hp
−1
.
Start with the definitions of the
COP
s and the conservation of energy
relationship between
Q
h
,
Q
c
, and
W
.
15.6Entropy and the Second Law of Thermodynamics:
Disorder and the Unavailability of Energy
47.(a) On a winter day, a certain house loses
5.00×10
8
J
of heat to
the outside (about 500,000 Btu). What is the total change in entropy
due to this heat transfer alone, assuming an average indoor
temperature of
21.0º C
and an average outdoor temperature of
5.00º C
? (b) This large change in entropy implies a large amount of
energy has become unavailable to do work. Where do we find more
energy when such energy is lost to us?
48.On a hot summer day,
4.00×10
6
J
of heat transfer into a parked
car takes place, increasing its temperature from
35.0º C
to
45.0º C
.
What is the increase in entropy of the car due to this heat transfer
alone?
49.A hot rock ejected from a volcano’s lava fountain cools from
1100º C
to
40.0º C
, and its entropy decreases by 950 J/K. How
much heat transfer occurs from the rock?
50.When
1.60×10
5
J
of heat transfer occurs into a meat pie initially
at
20.0º C
, its entropy increases by 480 J/K. What is its final
temperature?
51.The Sun radiates energy at the rate of
3.80×10
26
W
from its
5500º C
surface into dark empty space (a negligible fraction radiates
onto Earth and the other planets). The effective temperature of deep
space is
−270º C
. (a) What is the increase in entropy in one day due
to this heat transfer? (b) How much work is made unavailable?
52.(a) In reaching equilibrium, how much heat transfer occurs from
1.00 kg of water at
40.0º C
when it is placed in contact with 1.00 kg of
20.0º C
water in reaching equilibrium? (b) What is the change in
entropy due to this heat transfer? (c) How much work is made
unavailable, taking the lowest temperature to be
20.0º C
? Explicitly
show how you follow the steps in theProblem-Solving Strategies for
Entropy.
53.What is the decrease in entropy of 25.0 g of water that condenses
on a bathroom mirror at a temperature of
35.0º C
, assuming no
change in temperature and given the latent heat of vaporization to be
2450 kJ/kg?
54.Find the increase in entropy of 1.00 kg of liquid nitrogen that starts
at its boiling temperature, boils, and warms to
20.0º C
at constant
pressure.
55.A large electrical power station generates 1000 MW of electricity
with an efficiency of 35.0%. (a) Calculate the heat transfer to the power
station,
Q
h
, in one day. (b) How much heat transfer
Q
c
occurs to the
environment in one day? (c) If the heat transfer in the cooling towers is
from
35.0º C
water into the local air mass, which increases in
temperature from
18.0º C
to
20.0º C
, what is the total increase in
entropy due to this heat transfer? (d) How much energy becomes
unavailable to do work because of this increase in entropy, assuming
an
18.0º C
lowest temperature? (Part of
Q
c
could be utilized to
operate heat engines or for simply heating the surroundings, but it
rarely is.)
56.(a) How much heat transfer occurs from 20.0 kg of
90.0º C
water
placed in contact with 20.0 kg of
10.0º C
water, producing a final
temperature of
50.0º C
? (b) How much work could a Carnot engine do
with this heat transfer, assuming it operates between two reservoirs at
constant temperatures of
90.0º C
and
10.0º C
? (c) What increase in
entropy is produced by mixing 20.0 kg of
90.0º C
water with 20.0 kg of
10.0º C
water? (d) Calculate the amount of work made unavailable by
this mixing using a low temperature of
10.0º C
, and compare it with
the work done by the Carnot engine. Explicitly show how you follow the
steps in theProblem-Solving Strategies for Entropy. (e) Discuss how
everyday processes make increasingly more energy unavailable to do
work, as implied by this problem.
15.7Statistical Interpretation of Entropy and the
Second Law of Thermodynamics: The Underlying
Explanation
57.UsingTable 15.4, verify the contention that if you toss 100 coins
each second, you can expect to get 100 heads or 100 tails once in
2×10
22
years; calculate the time to two-digit accuracy.
58.What percent of the time will you get something in the range from
60 heads and 40 tails through 40 heads and 60 tails when tossing 100
coins? The total number of microstates in that range is
1.22×10
30
.
(ConsultTable 15.4.)
59.(a) If tossing 100 coins, how many ways (microstates) are there to
get the three most likely macrostates of 49 heads and 51 tails, 50
heads and 50 tails, and 51 heads and 49 tails? (b) What percent of the
total possibilities is this? (ConsultTable 15.4.)
60.(a) What is the change in entropy if you start with 100 coins in the
45 heads and 55 tails macrostate, toss them, and get 51 heads and 49
tails? (b) What if you get 75 heads and 25 tails? (c) How much more
likely is 51 heads and 49 tails than 75 heads and 25 tails? (d) Does
either outcome violate the second law of thermodynamics?
61.(a) What is the change in entropy if you start with 10 coins in the 5
heads and 5 tails macrostate, toss them, and get 2 heads and 8 tails?
(b) How much more likely is 5 heads and 5 tails than 2 heads and 8
tails? (Take the ratio of the number of microstates to find out.) (c) If you
were betting on 2 heads and 8 tails would you accept odds of 252 to
45? Explain why or why not.
CHAPTER 15 | THERMODYNAMICS S 547
Table 15.510-Coin Toss
Macrostate
Number of Microstates (W)
Heads
Tails
10
0
1
9
1
10
8
2
45
7
3
120
6
4
210
5
5
252
4
6
210
3
7
120
2
8
45
1
9
10
0
10
1
Total: 1024
62.(a) If you toss 10 coins, what percent of the time will you get the
three most likely macrostates (6 heads and 4 tails, 5 heads and 5 tails,
4 heads and 6 tails)? (b) You can realistically toss 10 coins and count
the number of heads and tails about twice a minute. At that rate, how
long will it take on average to get either 10 heads and 0 tails or 0 heads
and 10 tails?
63.(a) Construct a table showing the macrostates and all of the
individual microstates for tossing 6 coins. (UseTable 15.5as a guide.)
(b) How many macrostates are there? (c) What is the total number of
microstates? (d) What percent chance is there of tossing 5 heads and 1
tail? (e) How much more likely are you to toss 3 heads and 3 tails than
5 heads and 1 tail? (Take the ratio of the number of microstates to find
out.)
64.In an air conditioner, 12.65 MJ of heat transfer occurs from a cold
environment in 1.00 h. (a) What mass of ice melting would involve the
same heat transfer? (b) How many hours of operation would be
equivalent to melting 900 kg of ice? (c) If ice costs 20 cents per kg, do
you think the air conditioner could be operated more cheaply than by
simply using ice? Describe in detail how you evaluate the relative
costs.
548 CHAPTER 15 | THERMODYNAMICS
This content is available for free at http://cnx.org/content/col11406/1.7
Documents you may be interested
Documents you may be interested