Ejercicio 17.9 Una estudiante de física desea enfriar 0.25 kg de Diet Omni-Cola (casi pura agua), que está a 25 °C, agregándole hielo que está a 220 °C. ¿Cuánto hielo debería ella agregar para que la temperatura final sea 0 °C con todo el hielo derretido, si puede despreciarse la capacidad calorífica del recipiente? Ejercicio 17.71. Una olla con base de acero de 8.50 mm de espesor y área de 0.150 m2 descansa en una estufa caliente. El agua dentro de la olla está a 100.0 °C y se evaporan 0.390 kg cada 3.00 min. Calcule la temperatura de la superficie inferior de la olla, que está en contacto con la estufa. 17.13. La presión de un gas al punto triple del agua es de 1.35 atm. Si este volumen permanece constante, ¿cuál será su presión a la temperatura a la que el CO2 se solidifica? 17.29. El diámetro exterior de un frasco de vidrio y el diámetro interior de su tapa de hierro miden ambos 725 mm a temperatura ambiente (20.0 °C). ¿Cuál será la diferencia de diámetro entre la tapa y el frasco, si la tapa se deja brevemente bajo agua caliente hasta que su temperatura alcance los 50.0 °C, sin que la temperatura del vidrio sufra alguna alteración? 18.15. Un tanque metálico con un volumen de 3.10 L revienta si la presión absoluta del gas que contiene excede 100 atm. a) Si 11.0 moles de gas ideal se ponen en el tanque a 23.0 °C, ¿a qué temperatura podrá calentarse el gas antes de que se rompa el tanque? Desprecie la expansión térmica del tanque. b) Con base en su respuesta al inciso a), ¿es razonable despreciar la expansión térmica del tanque? Explique. 18.36. Clima en Marte. La atmósfera de Marte está constituida en su mayor parte por CO2 (masa molar de 44.0 g>mol) bajo una presión de 650 Pa, y supondremos que se mantiene constante. En muchos lugares la temperatura varía de 0.0 °C en el verano a 2100 °C en el invierno. En el transcurso de un año de Marte, ¿cuáles son los intervalos a) de rapidez eficaz de las moléculas de CO2 y b) de la densidad (en moles>m3) de la atmósfera? 20.1. Un motor Diesel efectúa 2200 J de trabajo mecánico y desecha (expulsa) 4300 J de calor en cada ciclo. a) ¿Cuánto calor debe aportarse al motor en cada ciclo? b) Calcule la eficiencia térmica del motor. 20.9. Un refrigerador tiene un coeficiente de rendimiento de 2.10. Durante cada ciclo, absorbe 3.40 3 104 J de la fuente fría. a) ¿Cuánta energía mecánica se requiere en cada ciclo para operar el refrigerador? b) Durante cada ciclo, ¿cuánto calor se desecha a la fuente caliente? 20.13. Una máquina de Carnot cuya fuente de alta temperatura está a 620 K recibe 550 J de calor a esta temperatura en cada ciclo y cede 335 J a la fuente de baja temperatura. a) ¿Cuánto trabajo mecánico realiza la máquina en cada ciclo? b) ¿A qué temperatura está la fuente fría? c) Calcule la eficiencia térmica del ciclo. 20.14. Una máquina de Carnot opera entre dos fuentes de calor a 520 K y 300 K. a) Si el motor recibe 6.45 kJ de calor de la fuente
a 520 K en cada ciclo, ¿cuántos joules por ciclo cede a la fuente a 300 K? b) ¿Cuánto trabajo mecánico realiza la máquina en cada ciclo? c) Determine la eficiencia térmica de la máquina. 19.23. En un experimento para simular las condiciones dentro de un motor de automóvil, 0.185 moles de aire a una temperatura de 780 K y a una presión de 3.00 3 106 Pa están contenidos en un cilindro cuyo volumen es de 40.0 cm3. Después se transfieren 645 J de calor al cilindro. a) Si el volumen del cilindro se mantiene fijo, ¿qué temperatura final alcanza el aire? Suponga que el aire es prácticamente nitrógeno puro y use los datos de la tabla 19.1 aunque la presión no sea baja. Dibuje una gráfica pV para este proceso. b) Calcule la temperatura final del aire, si se permite que el volumen del cilindro aumente mientras la presión se mantiene constante. Dibuje una gráfica pV para este proceso. 19.17. Un sistema termodinámico sufre un proceso cíclico como se muestra en la figura 19.24. El ciclo consiste en dos lazos cerrados, el lazo I y el lazo II. a) Durante un ciclo completo, ¿el sistema efectúa trabajo positivo o negativo? b) En cada lazo, I y II, ¿el trabajo neto efectuado por el sistema es positivo o negativo? c) Durante un ciclo completo, ¿entra calor en el sistema o sale de él? d) En cada lazo, I y II, ¿entra calor en el sistemao sale de él? 13.63. MAS en un motor de combustión. El movimiento del pistón de un motor de automóvil (figura 13.35) es aproximadamente armónico simple. a) Si la carrera del pistón (el doble de la amplitud) es de 0.100 m y el motor trabaja a 3500 rev>min, ¿qué aceleración tiene el pistón en el extremo de su carrera? b) Si el pistón tiene una masa de 0.450 kg, ¿qué fuerza neta debe ejercerse sobre él en ese punto? c) ¿Qué rapidez y energía cinética tiene el pistón en el punto medio de su carrera? d) ¿Qué potencia media se requiere para acelerar el pistón desde el reposo, hasta la rapidez determinada en el inciso c)? d) Repita los incisos b), c) y d) con el motor trabajando a 7000 rev>min. 13.66. Un niño malcriado está deslizando su plato de 250 g de un lado a otro, sobre una superficie horizontal en MAS con amplitud de 0.100 m. En un punto a 0.060 m de la posición de equilibrio, la rapidez del plato es de 0.300 m>s. a) Calcule el periodo. b) Encuentre el desplazamiento cuando la rapidez es de 0.160 m>s. c) En el centro del plato hay una rebanada de zanahoria de 10.0 g, que está a punto de resbalar en el extremo de la trayectoria. Calcule el coeficiente de fricción estática entre la rebanada de zanahoria y el plato. 13.57. Un ratón de 0.300 kg, nada contento, se mueve en el extremo de un resorte con constante de fuerza k 5 2.50 N>m, sometido a la acción de una fuerza amortiguadora fx=-bvx a) Si la constante b =0.900 kg>s, ¿qué frecuencia de oscilación tiene el ratón? b) ¿Con qué valor de b el amortiguamiento será crítico? 13.69. Una masa de 10.0 kg viaja hacia la derecha con rapidez de 2.00 m>s sobre una superficie horizontal lisa y choca contra una segunda masa de 10.0 kg que inicialmente está en reposo pero unida a un resorte ligero con constante de fuerza de 80.0 N>m. a) Calcule la frecuencia, la amplitud y el periodo de las oscilaciones subsecuentes. b) ¿Cuánto tiempo tarda el sistema en regresar por primera vez a la posición inmediatamente después del choque?
14.16. El líquido del manómetro de tubo abierto de la figura 14.9a es mercurio, y1 5 3.00 cm y y2 5 7.00 cm. La presión atmosférica es de 980 milibares. a) ¿Qué presión absoluta hay en la base del tubo en U? b) ¿Y en el tubo abierto 4.00 cm abajo de la superficie libre? c) ¿Qué presión absoluta tiene el aire del tanque? d) ¿Qué presión manométrica tiene el gas en pascales? 14.31. Un bloque cúbico de madera de 10.0 cm por lado flota en la interfaz entre aceite y agua con su superficie inferior 1.50 cm bajo la interfaz (figura 14.35). La densidad del aceite es de 790 kg>m3. a) ¿Qué presión manométrica hay en la superficie superior del bloque? b) ¿Y en la cara inferior? c) ¿Qué masa y densidad tiene el bloque? 14.32. Un lingote de aluminio sólido pesa 89 N en el aire. a) ¿Qué volumen tiene? b) El lingote se cuelga de una cuerda y se sumerge por completo en agua. ¿Qué tensión hay en la cuerda (el peso aparente del lingote en agua)? 14.33. Una roca cuelga de un hilo ligero. Cuando está en el aire, la tensión en el hilo es de 39.2 N. Cuando está totalmente sumergida en agua, la tensión es de 28.4 N. Cuando está totalmente sumergida en un líquido desconocido, la tensión es de 18.6 N. Determine la densidad del líquido desconocido. 14.35. Una regadera tiene 20 agujeros circulares cuyo radio es de 1.00 mm. La regadera está conectada a un tubo de 0.80 cm de radio. Si la rapidez del agua en el tubo es de 3.0 m>s, ¿con qué rapidez saldrá de los agujeros de la regadera? 14.39. Un tanque sellado que contiene agua de mar hasta una altura de 11.0 m contiene también aire sobre el agua a una presión manométrica de 3.00 atm. Sale agua del tanque a través de un agujero pequeño en el fondo. Calcule la rapidez de salida del agua.
