Physics Homework (College Intro)

Phy 2201 page - 1 -

Physics    2201   Fall  2015     Homework  IV  Part  2  Show  all  work  and/or  explain  all  answers.  Use  and  draw   diagrams  where  appropriate.  Answers  on  separate  paper,  please.  Partial  credit  is   available.  10  points  each.  Due:  Tuesday,  December  8,  2015  .  No  late  papers,  but   some  time  in  class  will  be  allotted  to  complete  the  assignment.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         1)  200  grams  of  water  are  in  a  60  gram  aluminum  cup  (part  of  a  well  insulated   calorimeter).  A  thermometer  of  negligible  mass  is  immersed  in  the  water  and  has   read  22  ˚C  for  the  last  20  minutes.  A  50  gram  copper  cylinder  that  has  been  in  a   freezer  (interior  temperature  of  -­‐8˚C)  all  night  is  quickly  removed  from  the  freezer   and  dropped  into  the  water.    Assuming  that  the  system  consisting  of  the  water,  the   cup  and  the  cylinder  is  closed  to  energy  flows:     a)  What  does  the  thermometer  read  after  the  cylinder  has  been  in  the  water  for  a   long  time1?   b)  If  the  cup  (still  containing  the  water  and  the  copper  cylinder)  is  removed  from  the   calorimeter  and  allowed  to  warm  to  the  room  temperature  (also  22˚C)  how  much   energy  flows  into  the  system?     2)  100  grams  of  ice  are  at  0˚C.     a)  How  much  energy  must  the  ice  absorb  if  it  is  to  completely  melt?    If  the  ice  were   mixed  with  360  grams  of  water  initially    at  30˚C  and  the  system  is  assumed  to  be   closed,  would  the  water  be  able  to  lose  enough  energy  to  melt  all  the  ice?  Show   calculations  and  explain  your  reasoning.     b)  If  instead  the  ice  were  mixed  with  only  100  grams  of  water,  would  all  the  ice   melt?    Show  calculations  and  explain  your  reasoning.  What  will  be  the  equilibrium   temperature  of  system?  Explain  how  you  know.     c)    Consider  the  system  and  conditions  described  in  part  a.  and    assume  a  closed   system.  Setup  an  equation  of  the  form  (like  in  class)  

�

ΔEsys = 0  where  you  fill  in  the   details  including  the  latent  heat  term  (see  examples  from  class!).  And  use  this   equation  to  solve  for  the  equilibrium  temperature  of  the  system.    Remember  the  ice   melts,  the  water  cools  to  the  equilibrium  temperature  and  the  melted  ice  warms  to   the  equilibrium  temperature  as  liquid  water.  There’s  a  term  for  each  in  the  equation   and  the  equilibrium  temperature  is  an  unknown.                    

1 This requires a setup of an equation in the form

�

ΔEsys = 0 where you fill in the details (see examples from class).

Phy 2201 page - 2 -

      3)  2  grams  of  100˚C  steam  are  injected  into  a  well  sealed  styrofoam2  container  that   holds  a  mixture    of  24  grams  of  ice  and  50  grams  of  liquid  water,  both  at    0˚C.   Assume  that  in  both  cases  below  all  the  steam  condenses.     a)  How  much  of  the  ice  melts  and  what  will  be  the  equilibrium  temperature  of  the   mixture  including  the  condensed  steam?    (Note:  you  need  to  determine  if  there  is   enough  energy  available  to  melt  all  the  ice.  The  water  that  is  now  ice  will  not  change   temperature  until  all  of  it  is  melted.)   b)  Repeat  for  a  second  experiment3  where,  everything  else  is  the  same  but  5  grams   of  steam  are  injected  (also  at  100˚C).      

2 Assume  (in  both  experiments)  that  no  energy  is  absorbed  by  the  styrofoam:  i.e.  the   system  consisting  of  the  ice,  the  liquid  water  and  the  steam  is  closed.   3 This requires a setup of an equation in the form

�

ΔEsys = 0 where you fill in the details (see examples from class). Remember there are latent heat terms.