Ejercicios de termodinámica para alumnos de universidadDescripción completa
1. 1. ¿La ene energí rgía mec ecán ániica al algu gun na ve vezz se pued puedee trans ransfforma ormarr por por completo en calor o energía interna? ¿Puede ocurrir lo contrario? En cada caso, si su respuesta es no, explique por qu! si responde afirmativamente, d uno o dos e"emplos. Sí, la energía mecánica se puede transformar completamente en calor o energía interna, como cuando el objeto que se mueve sobre una superficie se detiene por fricción. Toda la energía mecánica original es convertido en calor No, lo contrario no pued puede e sucede sucederr (segu (segunda nda ley ley de la term termodi odinám námic ica a e!ce e!cept pto o en casos casos especiales (e!pansión adiabática reversible de un gas ideal. "or ejemplo, en una e!plosión, una gran la cantidad de energía interna se convie convierte rte en energí energía a mecánic mecánica, a, pero se pierde pierde algo algo de energí energía a interna interna calienta o permanece como energía interna de los fragmentos de e!plosión.
#. #. ¿Es posi$le posi$le calent calentar ar una cocina cocina en inviern invierno o si se de"a de"a la puerta puerta del %orno a$ierta? ¿Es posi$le enfriar la cocina en un día caluroso de verano si se de"a a$ierta la puerta del refrigerador? Explique. Sí, puedes calentar una cocina en invierno dejando la puerta del #orno abierta. $l #orno convierte electricidad la energía para calentar y dejar la puerta abierta permitirá que este calor ingrese a la cocina. Sin embargo, tu no puede enfriar una cocina en el verano dejando la puerta del refrigerador abierta. $l refrigerador es un calor motor que (con una entrada de trabajo toma calor del depósito de baja temperatura (dentro del refrigerador y e!pulsa el calor al depósito de alta temperatura temperatura (la #abitación. #abitación. %omo se muestra muestra por el segundo ley de la termodinámica, no e!iste un &refrigerador perfecto&, por lo que se agotará más calor en el #abitación que eliminada del interior del refrigerador. "or lo tanto, dejar la puerta del refrigerador abierta lo en realidad calienta la cocina.
&. '. ¿(uál ¿(uál modi modifi fica caci ci)n )n darí daríaa la ma*o ma*orr efic eficie ienc ncia ia de una una máqu máquin inaa de (arnot+ un aumento de 1 (- en el dep)sito de alta temperatura, o una disminuci)n de 1 (- en el dep)sito de $a"a temperatura? 'na disminución de )*% en el depósito de baja temperatura dará una mayor mejora en la eficiencia de un motor %arnot. "or definición, T + es menor que T , por lo que un cambio de )*% será un porcentaje mayor cambio en T + que en T , produciendo una mayor mejora en la eficiencia.
1/ 1. 0na máquina trmica expulsa 2 3 de calor mientras realiza #4 3 de tra$a"o 5til. ¿(uál es la eficiencia de esta máquina? e=
W W 2600 J = = = 0.25=25 Q H W + Q H 2600 J + 7800 J
#/ &. 0n autom)vil compacto experimenta una fuerza de arrastre total a '' mi6% de aproximadamente &' 7. 8i este autom)vil rinde &' millas por gal)n de gasolina a esta rapidez, * un litro de gasolina 1 gal 9 &.2 L/ li$era aproximadamente &.#:1 3 cuando se quema, ¿cuál es la eficiencia del autom)vil? W = P salida= fv =( 350 N ) t Q H t
e=
= P entrada=
3.2 X 10
7
( )( 55
J
L
mi h
1609 m 1 mi
)(
1h 3600 s
)
=8604 W
( )( )( )(
=
3.8 L 1 gal
gal 35 mi
1
55 mi
1h
1h
3600 s
W p salida 8604 W = = = 0.16 Q H P entrada 53079 W
&/ ;. 7o es necesario que el am$iente caliente de una máquina trmica sea más caliente que la temperatura am$iente. El nitr)geno líquido de nitr)geno líquido figura # 1;/?
e =1−
T L T H
=1−
77 K 293 K
=0.7372 ≈ 74
)
=53079 W
@/ 14. 0n autom)vil particular realiza tra$a"o a una tasa aproximada de . A36s cuando via"a con una rapidez esta$le de #. m6s a lo largo de un camino %orizontal. Bste es el tra$a"o realizado contra la fricci)n. El autom)vil puede via"ar 1 Am con 1 L de gasolina a esta rapidez aproximadamente @ mi6gal/. ¿(uál es el valor mínimo de C D si CL es de #'-(? La energía disponi$le de 1 L de gas es &.# :1 3. W = P salida=700 W t Q H 7 J = P entrada= 3.2 X 10 t L W Psal 7000 W = = e= Q H P entra 37647 W
(
¿ 1−
T L T H
=→T H =
T L
( 1 −e )
=
)(
1 L 17000 m
)( ) 20 m
(273 + 25 ) K
(
1−
7000 W 37647 W
=37647 W
1s
)
=366 K = 93 ° C
'/ ##. 8i un refrigerador ideal mantiene su contenido a &.-( cuando la temperatura de la casa es de ##-(, ¿cuál es su coeficiente de operaci)n? T ( 273 + 3 ) K COPidi = = =14.53 ≈ 15 T −T ( 22−30 ) K L
H
L
4/ &#. ¿(uál es el cam$io en la entropía de #' g de vapor a 1-( cuando se condensa para convertirse en agua a 1-(? Q − !L vap ∆ = = = T T
