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8808-6505 –6– N08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX+ A2. This question is about ideal gases. (a) State what is meant by an ideal gas. ....................................................................... ....................................................................... [1] (b) For an ideal gas (i) define internal energy . .................................................................. .................................................................. [1] (ii) state and explain how the internal energy and the absolute (kelvin) temperature are related. .................................................................. .................................................................. .................................................................. [2] (This question continues on the following page) 0628 DULWICH COLLEGE SHANGHAI PRACTICE QUESTIONS IN THERMAL PHYSICS SL PAGE 1
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a2. Thisquestionisaboutidealgases.
(a) Statewhatismeantbyanidealgas.
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(b) Foranidealgas
(i) defineinternal energy.
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(ii) state and explain howtheinternal energy and the absolute (kelvin) temperaturearerelated.
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b3. Thisquestion is in two parts. Part 1 is about calorimetry. Part 2 is about electricity andmagnetism.
Part 1 Calorimetry
(a) Defineheat capacityofabody.
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(Question B3, part 1 continued)
(b) Thediagrambelowshowsanexperimenttomeasuretheheatcapacityofablockofcopper.
thermometer
boilingwater
string
copperblock
Bunsenburner calorimeterandwater
The block of copper is first placed in a container of boiling water. The block isthen transferred to an insulated calorimeter containingwater. The followingdata areavailable.
Temperatureofboilingwater 100 °CInitialtemperatureofwaterincalorimeter 22 °CFinaltemperatureofwaterincalorimeter 28 °CHeatcapacityofcalorimeterandwater 950JK–1
Determinethe
(i) totalthermalenergyabsorbedbythecalorimeterandthewater.
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(ii) heatcapacityofthecopperblock.
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(Question B3, part 1 continued)
(c) Stateafurthermeasurementthatmustbemadeinorder todeterminethespecificheatcapacityofcopper.
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(d) Statetwosourcesoferrorinthisexperiment.
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b2. Thisquestionisintwoparts.Part 1 is about latent heat and specific heat and Part 2isaboutlinearmotion.
Part 1 Latent heat and specific heat
(a) (i) Define specific latent heat of vaporization.
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(ii) Energy is supplied to a boiling liquid at a constant rate. Describe, in terms ofmolecularbehaviour,whythetemperatureoftheliquidremainsconstant.
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(Question B2, part 1 continued)
(b) Astudentdeterminesthelatentheatofvaporizationofwaterbyanelectricalmethod.Anelectricalheaterisusedtoboilwater.Whenthewaterisboilingatasteadyrate,themassofwaterevaporatedperminuteisdetermined. Themassisdeterminedfortwodifferentpowersoftheheaterandtheresultsareshowninthetablebelow.
power of heater / W mass of water evaporated per minute / g
80.035.0
1.890.70
Thepoweroftheheaterisdeterminedusinganammeterandavoltmeter.
(i) Theheaterislabelled9.0V,80.0W.Inthespacebelow,drawanelectricalcircuittoshowhowtheheatermaybeusedcorrectlywithaconstant12Vsupplytoprovidedifferentpowerstotheheater.Includetheammeterandvoltmeterinyourcircuit. [2]
12V
(ii) Calculatethecurrentintheheaterforapoweroutputof80.0W.
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(iii) Use the data in the table above to determine a value for the specific latent heat of vaporizationofwater.
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(Question B2, part 1 continued)
(c) Inoneparticularmakeofelectrickettle,theheatermustalwaysbeimmersedinwaterwhenthekettleisinuse.Theminimumvolumeofwaterthatcanbeheatedis650cm3.
Thekettleisusedsixtimeseachdaytoboilwaterforasinglecupoftea.Thecuphasavolumeof350cm3.Themassof1.0cm3ofwateris1.0g.
(i) Calculatethemassofwaterthatisheated,butnotused,duringoneday.
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(ii) The initial temperature of the water in the kettle before heating is 18°C.The specific heat capacity of water is 4.2 ×103Jkg–1K–1. Deduce that theelectrical energy wasted each day is 6.2×105J.
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(iii) Thecostof1.0MJofelectricalenergyis3.5cents.Estimatethecostoftheenergythatisusedeachyeartoheatwaterthatisnotusedtomaketea.
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(Question B2, part 2 continued)
(c) (i) Definespecific heat capacity.
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(ii) The table below gives data for water and ice.
specificheatcapacityofwater
specificlatentheatoffusionofice
4.2 kJ kg–1 K–1
��0 kJ kg–1
A beaker contains 450 g of water at a temperature of 24 °C. The thermal (heat) capacity of the beaker is negligible and no heat is gained by, or lost to, the atmosphere. Calculate the mass of ice, initially at 0 °C, that must be mixed with the water so that the final temperature of the contents of the beaker is 8.0 °C.
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(d) (i) Distinguish between evaporation and boiling.
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(ii) Explain, in terms of molecular behaviour, why boiling involves a transfer of thermal energy with no change in temperature.
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(Question B2 continued)
part 2 Specificlatentheat
(a) Definespecific latent heat of fusion.
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(b) Solar radiation is incident on a pond of area 12 m2. The pond is covered by a layer of ice of thickness �.0 cm. The temperature of the ice is 0.0 °C.
(i) The density of ice is 900 kg m–�. Deduce that the mass of ice on the pond is approximately �20 kg.
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(ii) The average power per unit area incident on the ice over a period of 6.0 hours is �40 W m–2. Deduce that the energy incident on the pond in this time is 8.8×107 J.
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(iii) The specific latent heat of fusion of ice is ��0 kJ kg–1. Determine whether all the ice on the pond will melt in the 6.0 hour time period.
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(iv) State one assumption you made in reaching your answer to (b)(iii).
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(c) During the night, the air temperature drops to –5 °C. The ice that melted during the day freezes again. Outline one mechanism by which thermal energy is lost by the ice.
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b3. This question is in two parts. part 1 is about gases and liquids. part 2 is about electrical conduction and the force on a conductor in a magnetic field.
part 1 Gases and liquids
(a) Describe two differences, in terms of molecular structure, between a gas and a liquid.
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(b) The temperature of an ideal gas is a measure of the average kinetic energy of the molecules of the gas. Explain why the average kinetic energy is specified.
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(c) Define heat (thermal) capacity.
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PRACTICE QUESTIONS IN THERMAL PHYSICS SL PAGE 10
2207-6517
– 22 – M07/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ2/XX+
(Question B3, part 1 continued)
(d) Water is heated at a constant rate in a container that has negligible heat capacity. The container is thermally insulated from the surroundings.
The sketch-graph below shows the variation with time of the temperature of the water.
temperature / °C
20
A B
0 420 time / s
The following data are available:
initial mass of water = 0.40 kg initial temp of water = 20 °C rate at which water is heated = 300 W specific heat capacity of water = 4.2 103 J kg–1 ° −C 1
(i) State the reason why the temperature is constant in the region AB.
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(ii) Calculate the temperature at which the water starts to boil.
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PRACTICE QUESTIONS IN THERMAL PHYSICS SL PAGE 11
2207-6517
– 23 –
turn over
M07/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ2/XX+
(Question B3, part 1 continued)
(e) All the water is boiled away 3.0 103 s after it first starts to boil. Determine a value for the specific latent heat L of vaporisation of water.
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PRACTICE QUESTIONS IN THERMAL PHYSICS SL PAGE 12
