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/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / sci / physics / 21925 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1992-12-30  |  13.2 KB

  1. Path: sparky!uunet!dziuxsolim.rutgers.edu!pilot.njin.net!jmgreen
  2. From: jmgreen@pilot.njin.net (Jim Green)
  3. Newsgroups: sci.physics
  4. Subject: Question 5 Reprive
  5. Message-ID: <Dec.30.18.58.26.1992.29517@pilot.njin.net>
  6. Date: 30 Dec 92 23:58:26 GMT
  7. Organization: Rutgers Univ., New Brunswick, N.J.
  8. Lines: 305
  9.  
  10.  
  11.  
  12. Thank you all for your responses to my questions.  Especially to
  13. those of you who have diverted your attention from the likes of
  14. temporal inertia and other imponderables, which I am sure are
  15. more fun.  I am one of those who, long after student days and
  16. now back in the classroom in another guise, realizes that there
  17. is still a lot to learn.  I therefore enjoy these little chats
  18. and, eventhough they extend over several weeks, there is time to
  19. meditate about the issue and perhaps finally get it right.  I am
  20. still meditating about the following one:
  21.  
  22. First, I'll repeate the question; then I'll ruminate a bit on
  23. what the answers might be (about which I continue to solicit
  24. comments), and then I will add a rambling commentary on the
  25. responses received to date which only the truly interested will
  26. tolerate, others having n'd long since.
  27.  
  28. ===============================================================
  29.  
  30. A system consists of a compressible fluid which is contained
  31. within a vertical cylinder. The cylinder has adiabatic walls
  32. OBand bottom and is fitted with the following: a heavy adiabatic
  33. piston, a small diathermal window in the side, an internal
  34. paddle wheel mounted on an horizontal shaft which protudes
  35. through the side wall and is not thermally conducting, and an
  36. electrical resistor which may be connected to an external
  37. battery.
  38.  OB
  39. Consider further the following independent processes:
  40.  
  41. 1)  Additional weight is added to the piston slowly thereby
  42.     compressing the internal fluid further.
  43.  
  44. 2)  The shaft is turned thereby agitating the internal fluid.
  45.  
  46. 3)  A hot acetylene torch flame is applied to the window.
  47.  
  48. 4)  An electrical current is applied to the resistor.
  49.  
  50. State which of these processes does work and which does heat
  51. and substantially defend your answer. If you know of a
  52. reference where this kind of issue is discussed, please give it.
  53.  
  54. The important point here is to explain the rules _you_ use to
  55. decide which is work and which is heat. The best answers will
  56. either use the phrase "do heat" or not use the word heat at all.
  57. Don't merely state your opinion which is which, state _why_ you
  58. come to your conclusions.
  59.  
  60. ===============================================================
  61.  
  62. There are several reasonable definitions for "work" and "heat":
  63.  
  64. For all of the following, heat is ABSOLUTELY NOT something
  65. which "flows".
  66.  
  67. A)  Heat is microscopic work done by molecules very much the
  68. same as molecules of the piston do work, except that micro-
  69. scopic work is random while macroscopic work is concerted.
  70. Thus, the torch, the wheel, and the resistor do heat and only
  71. the piston does work.
  72.  
  73. B)  Heat is an energy exchange induced by a temperature
  74. difference.  Certainly this conformes to the views of
  75. Clausius and Carnot except of course they thought that heat
  76. "flows".  Thus, the resistor (with the assumption that there
  77. is a dT between the resistor and the fluid) and the torch do
  78. heat and the wheel and the piston do work.
  79.  
  80. C)  Work is any process which can be written in the form
  81. W = |F.ds.  The resistor does W = |EdZ = |Pdt = |EIdt; the
  82. wheel does W = |Tdtheta: and the piston does W = - |PdV.
  83. So only the torch does heat.
  84.  
  85. D)  Doing heat leads to an increase in entropy and work not so.
  86. Certainly this is true for reversible processes.
  87. Reversible W = - |PdV does not change the entropy, while
  88. reversible DQ = |TdS does.  However, ALL irreversible processes
  89. change the entropy.  Hence, only the piston does work and only
  90. to the extent that the process is reversible.
  91.  
  92. E)  It is obvious what is heat and all else is work!
  93.  
  94. Comments are encouraged re the above.
  95.  
  96. ================================================================
  97.  
  98. Unless you are very interested, delete now.
  99. The rest is really babbling.
  100.  
  101. Next, may I give some incidental reflections on an amalgam of
  102. some points which were posted by several respondents to this
  103. question.  Quoted material is preceded by >> with only slight
  104. editing.  The authors are now lost to me.
  105.  
  106. >>...I think it is a sloppy and perhaps misleading term that
  107. >> you use, "do heat."  I think one can add heat, or remove heat,
  108. >> but doing heat is something you must define, since it is not
  109. >> a widely used term.
  110.  
  111. This response was of course predictable -- the question did
  112. intentionally bait a bit -- but, folks, you would not say
  113. "add work" or "remove work" or "work is energy transferred",
  114. would you?  Then why say that about heat?  Haven't we gotten
  115. past thinking that heat is _inside_ the object?  It was my
  116. belief that Rumford and, later, Joule laid to rest the concept
  117. of caloric.  Why do we continue to nourish this concept?
  118. If you wish to do so, tell me just what is meant when it is
  119. said --
  120.  
  121. >> HEAT:   A measure of the energy transferred by thermal
  122. >> process.
  123.  and
  124. >> ...flame will heat the window....temperature difference
  125. >> between...therefore, heat will flow.
  126. and
  127. >> ...temperature is defined....the idea that heat flows from
  128. >> hot to cold),
  129. and
  130. >>  The paddle, torch, and resistor give heat to the fluid.
  131.  
  132. Just what is it that is "flowing"?  What is it that is being
  133. "given"? This simply looks like bad physics to me!
  134.  
  135. >> ...have never heard of the term "diathermal"........
  136.  
  137. Really?!!  From greek: dia is to pass through thus diathermal
  138. is to "pass heat through" ie conducting.  The term was of
  139. course coined before the idea of caloric was discredited
  140. (at least in some circles :-)); it is also an example of gross
  141. misuse and misleading use of language (along with "heat
  142. capacity" ugh!).  Most standard introductory texts explain
  143. the word "diathermal" -- Halliday & Resnick, Sears & Zemansky,
  144. Serway, etc etc etc
  145.  
  146. >> ...weight bounces because the liquid is compressible so the
  147. >> liquid is doing work
  148.  
  149. Oh my, let's not complicate the issue with irreversible work
  150. done by the added weight.  Let's say that the weight which is
  151. added is a grain of sand at a time -- so the work done is
  152. reversible
  153.  
  154. >> ...When the torch heats the fluid it expands and does work
  155. >> against gravity to lift the weight.
  156.  
  157. Well, yes, in this case it does, but only because the piston
  158. is free to move.  It is NOT the case that the heating process
  159. will always cause work to be done by the piston -- I guess
  160. that is obvious to all.
  161.  
  162. >> ...since the fluid is compressible that it will also expand
  163. >> when heated....
  164.  
  165. That is an interesting conclusion.  It's probably true but how
  166. does one show a meaningful functional relationship between
  167. compressibility and thermal expansion -- even for a perfect
  168. gas -- Help me out here!
  169.  
  170. >> As justification for my answers, I will use the following
  171. >>definitions of work and heat.
  172. >>
  173. >> WORK:  Quantitatively work is expressed as  W = |F.ds
  174. >> Where F is some [generalized] force, which may be a function
  175. >> of s, and ds is the incremental [generalized] displacement
  176. >> in the vector direction of F.
  177.  
  178. I trust that there is no question in anyone's mind that the
  179. slowly-added sand does work on the system.  The important
  180. question here is whether the paddle wheel does work or heat.
  181. Is W = |T.dtheta in this case?  Well then is W = |E.dZ for the
  182. battery and W = |H.dB for a magnetic field, etc.?
  183.  
  184. >> ...all of the above processes change the internal energy of
  185. >> the system, but work is only done when an external source
  186. >> can be shown to be applied over path.
  187.  
  188. I am listening intently, but I am very worried about this "path".
  189. ShoOBuld one expect that this "path" have the units of length?
  190.  
  191. >> The transfer of heat [yuch] alters the internal state of a
  192. >> system, but through the contact of surfaces with different
  193. >> temperatures.  No external force is needed.
  194.  
  195. This seems very important!  If we are to use the concepts of
  196. Carnot and Clausius, then we must assume that doing heat is
  197. associated with a temperature difference.  But, if this is the
  198. case then the resistor does work not heat, because it is held
  199. at the same temperature as the fluid. Again the assumption is
  200. that the process is "slow" and the system remains in equilibrium.
  201. But note that the process is NOT reversible; electricity cannot
  202. be made to flow in the reverse direction with an incremental
  203. change in temperature.  So the entropy must increase.
  204.  
  205. >> 1)  W  = - |PdV.
  206.  
  207. >> 1) This is work, done reversibly.  PdV = FdL = work done.
  208.  
  209. No one disagrees here.  (Except that the process need not be
  210. reversible)  If it is reversible, then there is NO CHANGE in
  211. the entropy.
  212.  
  213. >> 2)  W = |T.do .....the work done will be converted to heat
  214. >> by means of viscous dissipation of the resultant fluid
  215. >> motions, this heat will raise the temperature of the fluid,
  216. >> and thus the pressure, which in turn will DO work ON the
  217. >> piston, which the piston will store in potential energy,
  218. >> manifested as a displacement of the piston.
  219.  
  220. >> 2)  The shaft is turned thereby agitating the internal fluid.
  221. >> This is work, done irreversibly.
  222. >> \vec T \cdot \vec omega dt = work done.
  223.  
  224. First, any work done is NOT "converted to heat"!  Yes, indeed,
  225. the temperature rises, but that is due to the increase in
  226. internal energy!  May I again ascend my soapbox:  Look folks,
  227. dU = W + Q.  Either W or Q can change the internal energy.
  228. Have we misunderstood the relation Q = mcdT? This is a very
  229. misleading equation.  It should be Q = dU = mcdT. It is dU that
  230. is mcdT not Q!  U(T) is a function of temperature, not Q!
  231.  
  232. In any case the process is irreversible and entropy increases.
  233.  
  234. >> 3)  The torch will transfer heat to the fluid by means of
  235. >> radiative heat transfer, driven by the temperature difference
  236. >> between the inside of the system and torch flame ....
  237. >> (Assuming that the temperature of the flame is higher than
  238. >> the fluid.)
  239.  
  240. Certainly at these temperatures there is some radiation absorbed
  241. by the fluid, but there is much more microscopic work done on
  242. the window and thence upon the fluid by the very high speed
  243. collisions of the gas molecules with the window and thence by
  244. the window molecules upon the fluid.
  245.  
  246. >> 3)  A hot acetylene torch flame is applied to the window.
  247. >> This is heat transfer.  You have a thermal energy source
  248. >> (energy)  (From the reaction of burning) raising the
  249. >> temperature of the gas which thermally heats one side of the
  250. >> window, which propagates through the window to the other side,
  251. >> which 'heats' the gas inside.  Almost no energy is
  252. >> transferred due to the expansion of the window.
  253.  
  254. There is likely no disagreement that the torch does heat, but
  255. I have no idea of a precise meaning of "heat transfer"!
  256.  
  257. >> 4)  An electrical current is applied to the resistor.
  258. >> Since the 'system' is the gas inside the cylinder, the
  259. >> resistor gets 'hot,' and the gas inside the cylinder is
  260. >> 'heated.'  Almost no energy is transferred due to the
  261. >> expansion of the resistor.
  262.  
  263. No one said that the fluid is a gas, even so, if the resistor
  264. and the fluid remain in equilibrium, does the resistor then do
  265. work or heat?  I have no meaning for "energy transferred" in
  266. this case, and certainly not for "energy transferred due to the
  267. expansion of the resistor".
  268.  
  269. >> 4) An electric current applied to a resistor of finite
  270. >> resistance will dissipate heat in the resistor.  This will be
  271. >> transferred as heat to the fluid, and as in 2) above,.......
  272. and 
  273. >> 4) If the resistor is contained in the fluid, the battery
  274. >> will do work against the resistor to force the flow of current
  275. >> (the resistor is grounded). Also, as the resistor heats the
  276. >> fluid ....
  277. and
  278. >> 4) External work will be done by the battery:
  279. >> Work=Integral(vi)dt;where v=potential and i=current gas by
  280. >> being 'hotter' than the gas and being in 'thermal contact'
  281. >> with the gas will fill in the blanks.
  282.  
  283. By the way both Sears and Salinger and Zemansky and Ditman  say
  284. that the resistor does work on the system!!!
  285.  
  286. >>......This is work.  If any I*V loss is called work, even if
  287. >> you're just looking at the wires entering the box without
  288. >> looking at the generator, then it is still work.  The resistor
  289. >> dissipates the energy of the electrons via scattering
  290. >> processes....... The energy being dissipated heats the
  291. >> resistor, and the only mechanism for transfer of energy to
  292. >> the gas seems to be heat.
  293.  
  294. Does this mean that the resistor does work or does it do heat???
  295.  
  296. ===================================================================
  297.  
  298. If you have gotten this far, you are very interested indeed,
  299. you are on vacation, or you need to be doing something
  300. productive and don't want to. I know; me too!
  301.  
  302. Best ......  Jim Green
  303. -- 
  304. _______________________________________________________________________________
  305. ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~|~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
  306. Name:  James M. Green                         )*(     
  307. Email: jmgreen@pilot.njin.net                (***)         "The Lord may be
  308. Smail: Stockton State College NAMS          )*(*)*(       subtle, but
  309.        Pomona, NJ  08240-9988              (* (*) *)           he is not mean."
  310. ICBM:  39.49333 N  74.53083 W               )*(*)*(               
  311. FAX:   609/652-4958                          (***)               A. Einstein
  312. Voice: 609/652-4558                           )*(     
  313. _______________________________________________|_______________________________
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