Termodinámica Diego Sarmiento Olivares IACC Física 16-10-2017
INSTRUCCIONES: Resuelva los siguientes ejercicios, argumentando físicamente la resolución matemática.
Ejercicio 1: Sobre un estanque de aceite se hace un trabajo de 800 [J] con un motor con aspas con el fin de subir su temperatura. El proceso es realizado bajo el sol, y finalmente, el incremento de la energía del aceite es de 80 [J], determine el calor entregado por el sol.
∆E = Q + W 80 J = Q + 800 J 80 J − 800 J = Q −720 J = Q El calor que entrega el sol se desconoce ya que el sistema está perdiendo -720 Joule
Ejercicio 2: Sobre un litro de agua se realiza un trabajo de 4000 [J]. Determine cuánto aumenta la energía interna del agua considerando que se disipan 800 [J] de calor.
∆E = Q + W ∆E = −800 J + 4000 J ∆E = 4000 J − 800 J ∆E = 3200 J La energía interna aumenta 3200 Joule
Ejercicio 3: Un estanque contiene 20 litros de agua (𝑚 = 20 [kg]) que inicialmente se encuentran a temperatura ambiente (𝑇 = 20° [C]). Similar al experimento realizado por Joule, se conecta un motor con aspas para elevar la temperatura del agua. Determine cuánto es el trabajo realizado por el motor si es que la temperatura final del agua es de 𝑇 = 46° [C] asumiendo que no hay pérdidas de ningún tipo.
𝑊 + Q = c ∙ m ∙ ∆T Como no hay perdidas ni aporte de calor del entorno, se elimina esta variable, ya que el aumento de temperatura es por vía de la mecánica se calcula en trabajo. 𝑊 + Q = c ∙ m ∙ ∆T W = 4190 [
𝐽 ] ∙ 20 Kg ∙ [46°C − 20°C] 𝐾𝑔 ∗ °𝐶
W = 4190 [
𝐽 ] ∙ 20 Kg ∙ 26°C 𝐾𝑔 ∗ °𝐶
W = 2.178.800 J El trabajo realizado por el motor es de 2.178.800 Joule. Ejercicio 4: Durante un día, la caldera de un buque de transporte, consume una cantidad total de combustible que genera un total 289 000 000 [J] de calor. Si el trabajo neto realizado por el motor sobre el buque es de tan solo 108 000 000 [J], determine el calor disipado y la eficiencia de la máquina. 𝑊 = 𝑄1 − 𝑄2 Reemplazando 𝑊 = 289.000.000 𝐽 − 108.000.000 𝐽 𝑊 = 181.000.000 𝐽 η =
η =
Q1 − Q2 Q1
289.000.000 𝐽 − 108.000.000 𝐽 289.000.000 𝐽
Se aplica cálculo de porcentajes: η =
181.000.000 𝐽 ∗ 100% 289.000.000 𝐽 η = 62,6%
El calor disipado es de 181.000.000 Joule y la eficiencia de la maquina es de 62,6 %
Ejercicio 5: Determine la eficiencia de un motor tal, que por cada 100 [J] de calor que consume elimina 55 [J]. Q1 − Q2 η = Q1 η =
100 J − 55 J 100 J
η =
45 J ∗ 100% 100 J
Calculamos a razón de porcentaje
η = 45 % El motor tiene una eficiencia de 45%. Ejercicio 6: Un automóvil de 1200 [Kg] se encuentra en reposo en la base de una colina. Si la colina tiene un alto de 65 [m] y el motor tiene una eficiencia de 𝜂 = 33%, determine cuánto calor deberá consumir el motor para poder llegar arriba. 𝑈 = 𝑚𝑔ℎ 𝑈 = 1200 𝑘𝑔 ∗ 9,8 [𝑚/𝑠 2 ] ∗ 65[𝑚] 𝑈 = 764400 𝐽
El automóvil requiere de 764.400 Joule para llegar arriba, pero como su eficiencia es del 33 % tenemos que: η =
Q1 =
w Q1
764400 J = 2.316.364 J 0.33 0.33 =
764400 2.316.364
Para llegar arriba con un 33% de eficiencia el calor requerido es de 2.316.364 Joule
Ejercicio 7: Explique, en un texto preciso, por medio de ejemplos reales, 2 ejemplos del experimento de Joule; y otros 2 ejemplos, de la primera ley de la termodinámica. -
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Un ejemplo no tan literal pero cumple con el experimento de joule, es la rueda de vehículo con neumático tubular, en la cual varia su energía interna de acuerdo a las variaciones a la que sea expuesta el neumático, estas variables pueden ser nivel de inflado del neumático, la masa de del vehículo, la velocidad, la temperatura del suelo, el calor, condición del camino, etc… pueden ser un conjunto o todas estas variables que afectaran el delta de energía interna. Otro ejemplo de esto es el turbo acoplamiento o acoplamiento hidráulico, este dispositivo permite transmitir un giro de una unidad motriz por medio de su eje hasta otra unidad conducida, a través del acoplamiento que esta sellado, dentro tiene un par de discos con álabes que utilizando la fuerza centrífuga desplazan el aceite de manera interna permitiendo una partida o arranque paulatino y controlado, aumentando su temperatura a cerca de 50 °C disipando el calor que sea exceso al funcionamiento normal producido únicamente por la mecánica.
Ley termodinámica: -
Un motor de combustión interna produce trabajo y calor, la eficiencia de estos motores como podemos ver en la imagen es muy baja por el orden del 30 %, la pérdida del block es por los distintos elementos de rodado y de contacto, más las pérdidas que sufre por calor disipada.
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Otro caso es el de un termo-ventilador el cual : Genera un trabajo de 180.000 J con el ventilador y genera calor de aprox. 7.200.000 joule por medio de resistencias eléctricas.
Bibliografía: Contenidos de la semana, IACC, Fisica. http://online.iacc.cl/pluginfile.php/3406463/mod_resource/content/1/Fisica_S6_Cont enido.pdf Eficiencia motores combustión interna, Todo motores. http://www.todomotores.cl/
