Taller 3 Descubriendo la Física 2013-01

Descubriendo la Física. Taller de Termodinámica 2013-01 .

TEMPERATURA Y TEORÍA CINÉTICA DE LOS GASES. Preguntas de Falso y Verdadero: Verdadero:

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Dos objetos en equilibrio térmico entre sí deben estar en equilibrio térmico con un tercero.

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Las escalas Fahrenheit y Celcius difieren sólo en la elección de la temperatura cero.

(

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El grado Kelvin tiene el mismo “tamaño” que el el grado Celcius.

Preguntas:

1. Dos Dos reci recipi pien ente tess idént idéntic icos os cont contie iene nen n gases gases idea ideale less dist distin into toss a igua iguall pres presió ión n y temperatura. Así resulta que: a) El número de moléculas moléculas gaseosas gaseosas es el mismo mismo en ambos ambos recipientes recipientes.. b) La masa total total del gas es la misma misma en ambos recipient recipientes. es. c) La velocidad velocidad media de las molécula moléculass del gas es la misma misma en ambos recipient recipientes. es. d) Ninguna de las afirmaci afirmaciones ones anteriores anteriores es correcta. correcta. 2. Un recipiente recipiente contiene contiene el mismo mismo número número de moles moles de helio y metano, metano, CH 4 .¿Cúal es la relación que existe entre las velocidades en los átomos de helio y las moléculas de CH 4 ? 3. Si la temperatura temperatura de un gas ideal se se duplica mantenien manteniendo do constante constante la presión, presión, ¿Cúal sería la nueva velocidad media de las moléculas, comparada con la anterior? 4. Si un recipiente recipiente contiene contiene cantidades cantidades iguales iguales en masa de helio helio y argón, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera? a) La pres presió ión n ejerc ejercid idaa por los dos gase gasess sobr sobree las las pare paredes des del reci recipi pient entee es la misma. b) La velocid velocidad ad media media de un átomo átomo de helio helio es la misma misma que la de un átomo átomo de argón. c) Son iguales iguales el número de átomos átomos de helio y de átomos átomos de argón en el recipient recipiente. e. d) Ninguna de las afirmaci afirmaciones ones anteriores anteriores es verdadera. verdadera. 5. La siguient siguientee figur figuraa muestr muestraa un gráfico gráfico del volume volumen n en función función de la temper temperatur aturaa para un proceso seguido por un gas ideal desde el punto A al punto B . ¿Qué ¿Qué ocurre con la presión del gas? __________

Profesor: Julián Fernando Ruiz Roa. Junio 17 2013 1 | 19

Universidad de Antioquia. Instituto de Física. Facultad de Ingenierías.

6. La siguiente figura muestra un gráfico de la presión en función de la temperatura para un proceso seguido por un gas ideal desde el punto A al punto B . ¿Qué ocurre con el volumen del gas? __________

7. Dos objetos, con diferentes tamaños, masas y temperaturas, se ponen en contacto térmico. ¿En qué dirección viaja la energía? 8. Considere los siguientes pares de materiales. ¿Cuál par representa dos materiales, uno de los cuales es el doble de caliente que el otro? a) agua en ebullición a 100°C, un vaso con agua a 50°C, b) agua en ebullición a 100°C, metano congelado a 50°C, c) un cubo de hielo a 20°C, flamas de un tragafuego de circo a 233°C, d) ninguno de estos pares. 9. Si se le pide hacer un termómetro de vidrio muy sensible, ¿cuál sería el líquido de trabajo a elegir? 10. Dos esferas se hacen del mismo metal y tienen el mismo radio, pero una es hueca y la otra sólida. Las esferas se someten al mismo aumento de temperatura. ¿Cuál esfera se expande más? 11. Un material común para acolchar objetos en los paquetes está hecho de burbujas de aire atrapadas entre hojas de plástico. Este material es más efectivo para evitar que los contenidos del paquete se muevan dentro del empaque, ¿bajo que condiciones de temperatura ambiente es mas eficiente?



12. En un día de invierno enciende su horno y la temperatura del aire dentro de su casa aumenta. Suponga que su casa tiene la cantidad normal de fuga entre el aire interior y el aire exterior. ¿Cómo es el número de moles de aire en su habitación a la temperatura más alta comparada con la anterior? 13. ¿Es posible que dos objetos estén en equilibrio térmico si no están en contacto mutuo? Explique. 14. ¿Qué ocurriría si el vidrio de un termómetro se expande más al calentarse que el líquido en el tubo? 15. Suponga que vacía una charola de cubos de hielo en un tazón casi lleno con agua y cubre el tazón. Después de media hora, los contenidos del tazón llegan a equilibrio térmico, con más agua líquida y menos hielo que al principio. ¿Cuál sería la relación enbtre la temperatura del agua liquida y el hielo? 16. El coeficiente de expansión lineal del cobre es 17x10-6 (°C)-1. La Estatua de la Libertad mide 93 m de alto una mañana de verano cuando la temperatura es de 25°C. Suponga que las placas de cobre que cubren la estatua se montan borde con borde sin juntas de dilatación y no se doblan ni se empalman en el marco que las soporta a medida que el día se vuelve más caliente. ¿Cuál es el orden de magnitud del aumento de altura de la estatua? 17. ¿Qué predice la ley del gas ideal acerca del volumen de una muestra de gas a cero absoluto? ¿Por qué esta predicción es incorrecta? 18. Un globo de caucho se llena con 1 L de aire a 1 atm y 300 °K y luego se pone en un refrigerador criogénico a 100 °K. El caucho permanece flexible mientras se enfría. ¿Qué ocurre con el volumen del globo? ¿Qué ocurre con la presión del aire en el globo? 19. Dos cilindros a la misma temperatura contienen igual cantidad de un tipo de gas. ¿Es posible que el cilindro A tenga tres veces el volumen del cilindro B? Si es así, ¿qué puede concluir acerca de las presiones que ejercen los gases? 20. Cuando el anillo metálico y la esfera de metal de la figura están a temperatura ambiente, la esfera apenas puede pasar por el anillo. Después de que la esfera se calienta en una flama, no puede pasar por el anillo. Explique. ¿Qué pasaría si? ¿Y si el anillo se caliente y la esfera se deja a temperatura ambiente? ¿La esfera pasa a través del anillo? Explique.


Universidad de Antioquia. Instituto de Física. Facultad de Ingenierías. 21. Dos contenedores mantienen un gas ideal a la misma temperatura y presión. Ambos retienen el mismo tipo de gas, pero el contenedor B tiene el doble de volumen que el contenedor A. i) ¿Cuál es la energía cinética traslacional promedio por molécula en el contenedor B? ii) ¿Cuál es la energía interna del gas en el contenedor B? 22. El calor específico molar de un gas diatómico se observa a volumen constante y se encuentra que es de 29.1 J/mol · K. ¿Cuáles son los tipos de energía que contribuyen al calor específico molar? 23. El calor específico molar de un gas se observa a volumen constante y se encuentra que es de 11R/2. ¿Cuál es la más probable que configuración molecular del gas? 24. Un recipiente lleno con gas helio y otro con gas argón. Ambos están a la misma temperatura. ¿Cuáles moléculas tienen la mayor rapidez rms? Explique. 25. Un globo lleno con helio inicialmente a temperatura ambiente se coloca en un congelador. El caucho permanece flexible. i) ¿Cuál es su volumen? ii) ¿Cuál es su presión? 26. Un gas a 200 K. Si se quiere duplicar la rapidez rms de las moléculas del gas, ¿a cuánto se debe aumentar su temperatura? 27. Dos muestras del mismo gas ideal tienen la misma presión y densidad. La muestra B tiene el doble de volumen que la muestra A. ¿Cuál es la rapidez rms de las moléculas en la muestra B? 28. ¿Cuál es más denso, el aire seco o el aire saturado con vapor de agua? Explique. 29. ¿Qué sucede con un globo lleno con helio liberado en el aire? ¿Se expande o se contrae? ¿Deja de elevarse en alguna altura? 30. ¿Por qué un gas diatómico tiene un mayor contenido energético por cada mol que un gas monoatómico a la misma temperatura? 31. Considere un gas ideal contenido en un recipiente a 300 °K. Si la temperatura aumenta a 900 °K, i) ¿cuál es el factor de cambio en la energía cinética promedio de las moléculas? ii) ¿Cuál es el factor de cambio en la rapidez molecular rms? iii) ¿Cuál es el factor de cambio en el cambio de cantidad de movimiento promedio que una molécula se somete en una colisión contra una pared particular? iv) ¿Cuál es el factor de cambio en la rapidez de colisiones contra las paredes de las moléculas? v) ¿Cuál es el factor de cambio en la presión del gas?



CALOR Y PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA. Preguntas de Falso y Verdadero:

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La capacidad calorífica de un cuerpo es la cantidad de calor que puede almacenar a una temperatura determinada.

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Cuando un sistema evoluciona del estado 1 al estado 2 , el calor suministrado al sistema es el mismo para todos los procesos posibles.

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Cuando un sistema evoluciona del estado 1 al estado 2 , el trabajo realizado sobre el sistema es el mismo para todos los procesos posibles.

Preguntas:

1. La variación de temperatura de dos bloques de masas M A y M B es la misma cuando absorben iguales cantidades de calor. ¿Cúal será la relación entre sus calores específicos? 2. El calor específico del aluminio es más del doble que el del cobre. En un ° calorímetro que contiene agua a 40 C se introducen masas idénticas de cobre y ° aluminio, ambas a 20 C . ¿Qué ocurre con el cobre y el aluminio cuando se alcanza el equilibrio térmico? 3. En la ecuación Δ U =Q + W (enunciado formal de la primera ley de la termodinámica), ¿Qué representan las magnitudes Q y W ? (tenga en cuenta los signos) 4. Un recipiente aislado está dividido en dos partes iguales por un tabique delgado. En una de las mitades se hace el vacío y en la otra se encierra un gas ideal a una ° atmósfera de presión y 300 K . Se quita el tabique y se establece el equilibrio en todo el recipiente. En el equilibrio, ¿Cuales serán los valores de la presión y de la temperatura en dicho equilibrio? 5. Un gas cambia reversiblemente de su estado A a C (ver siguiente figura). ¿Cúal será la trayectoria con el máximo trabajo realizado por el gas?


Universidad de Antioquia. Instituto de Física. Facultad de Ingenierías. 6. Imagine que tiene hierro, vidrio y agua, 1 kg de cada uno, y que las tres muestras están a 10°C. a) Clasifique las muestras de menor a mayor temperatura después de agregar 100 J de energía a cada muestra. b) Clasifique las muestras de menor a mayor cantidad de energía transferida mediante calor si cada muestra aumenta en temperatura 20°C. 7. Suponga que se realiza el proceso de agregar energía a un cubo de hielo, y piensa en una grafica la energía interna del sistema como función de la entrada de energía. ¿Cómo sería esta gráfica? 8. Distinga claramente entre temperatura, calor y energía interna. 9. El alcohol etílico tiene aproximadamente la mitad del calor específico del agua. Suponga que iguales cantidades de energía se transfieren por calor en muestras de líquido de igual masa de alcohol y agua en contenedores aislados separados. El agua eleva su temperatura en 25°C. ¿Cuánto elevará el alcohol su temperatura? 10. ¿Qué está incorrecto en el siguiente enunciado: “Dados dos cuerpos cualesquiera, el que tiene mayor temperatura contiene más calor”? 11. ¿Por qué una persona es capaz de retirar, con la mano sin protección, una hoja de aluminio seco de un horno caliente; pero, si la hoja está húmeda resultará con una quemadura? 12. Suponga que mide el calor específico de una muestra de metal originalmente caliente por el método de mezclas. Ya que su calorímetro no está perfectamente aislado, la energía se puede transferir por calor entre los contenidos del calorímetro y la habitación. Para obtener el resultado más preciso para el calor especifico del metal, ¿debe usar agua, y con qué temperatura inicial? 13. Una persona agita durante algunos minutos una botella aislada y sellada que contiene café caliente. i) ¿Cuál es el cambio en la temperatura del café? ii) ¿Cuál es el cambio en la energía interna del café? 14. ¿Es posible convertir energía interna a energía mecánica? Explique con ejemplos. 15. Un atizador es una barra rígida no flamable que se usa para empujar leños ardientes en una hoguera. Para facilidad de uso y seguridad, el atizador debe estar fabricado de un material, ¿con que tipo de calor específico y conductividad térmica? 16. La estrella A tiene el doble de radio y el doble de temperatura absoluta que la estrella B. ¿Cuál es la proporción de potencia de salida de la estrella A en comparación con la es trella B? La emisividad de ambas estrellas es en esencia 1. 17. Si el agua es un conductor térmico pobre, ¿por qué la temperatura en una olla de agua se puede elevar rápidamente cuando se pone sobre una flama?



ENTROPÍA Y SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA. Preguntas de Falso y Verdadero:

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El trabajo no puede convertirse totalmente en calor.

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El calor no puede convertirse totalmente en trabajo.

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Todas las máquinas térmicas tienen el mismo rendimiento.

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)

El cambio en entropía en un proceso adiabático debe ser cero porque Q = 0.

Preguntas:

1. En un día húmedo, el vapor de agua se condensa sobre una superficie fría. Durante la condensación, ¿Qué le ocurre a la entropía del agua? 2. ¿Qué caracteriza un proceso adiabático reversible? 3. Un gas ideal efectúa un proceso reversible desde un estado inicial, P i , V i , T i a un estado final P f , V f , T f . Dos trayectorias posibles son ( A ) una expansión isotérmica, seguida de una compresión adiabática y ( B ) una compresión adiabática, seguida de una expansión isotérmica. Para estas dos trayectorias, ¿Cómo se relacionan los cambios en la energía interna y la entropía en los puntos A y B? 4. Una máquina con el en cada ciclo.

20

por ciento de rendimiento realiza un trabajo de 100 J

a) ¿Cuánto calor absorbe en cada ciclo? b) ¿Cuánto calor devuelve en cada ciclo? 5. Una máquina absorbe 400 J de calor y realiza un trabajo de ciclo.

120 J

en cada

a) ¿Cuál es el rendimiento? b) ¿Cuánto calor se cede en cada ciclo? 6. Una máquina absorbe 100 J de calor y cede

60 J de calor en cada ciclo.

a) ¿Cuál es el rendimiento? b) Si recorre un ciclo en 7. Un refrigerador absorbe caliente.

0.5 s 5 kJ

, ¿cuál es la potencia de la máquina en vatios? de energía de un foco frío y cede 8 kJ a un foco

a) ¿Cuál es el coeficiente de eficiencia del refrigerador? b) El refrigerador es reversible y funciona como una máquina térmica entre los Profesor: Julián Fernando Ruiz Roa. Junio 17 2013 7 | 19

Universidad de Antioquia. Instituto de Física. Facultad de Ingenierías. mismos dos focos. ¿Cuál es el rendimiento? 8. “Hasta donde alcanza nuestro conocimiento, la Naturaleza no ha desarrollado nunca una máquina térmica”-Steven Vogel, Life's Devices, Princeton University Press (1988). a) Calcular el rendimiento de una máquina térmica que opera entre la temperatura ° ° corporal ( 37 C ) y una temperatura al aire libre típica ( 21 C ) , y comparar el resultado con el rendimiento del cuerpo humano para convertir energía 20 % ). ¿Supone ello una química en trabajo (aproximadamente el contradicción de la segunda ley de la termodinámica? b) A partir del resultado de a) y un conocimiento general de las condiciones que han de darse para que existan animales de sangre caliente, explicar por qué estos animales no han desarrollado máquinas térmicas para suministrar su energía interna. 9. Una máquina de Carnot funciona entre dos focos térmicos de temperaturas ° ° T caliente=300 K y T frio= 200 K . a) ¿Cuál es el rendimiento? b) Si en cada ciclo absorbe 100 J del foco caliente, ¿cuánto trabajo produce? c) ¿Cuánto calor cede en cada ciclo? d) ¿Cuál es el coeficiente de eficiencia de esta máquina cuando funciona como un refrigerador entre los mismos focos? °

10.Un motor extrae 250 J de un foco a 300 K y elimina 200 J a

°

200 K

.

a) ¿Cuál es el rendimiento? b) ¿Qué cantidad de trabajo podría haberse obtenido si el motor hubiese sido reversible? 11.La entrada de energía a una máquina es 3.00 veces mayor que el trabajo que realiza. a) ¿Cuál es su eficiencia térmica? b) ¿Qué fracción de la entrada de energía se expulsa al depósito frío? 12.La energía que entra a un calentador eléctrico mediante transmisión eléctrica se puede convertir en energía interna con una eficiencia de 100%. ¿En qué factor cambia el costo de calentar su casa cuando sustituye su sistema de calefacción eléctrico con una bomba de calor eléctrica que tenga un COP de 4.00? Suponga que el motor que activa la bomba de calor es 100% eficiente. 13.Tres máquinas funcionan entre depósitos separados en temperatura en 300 °K. Las temperaturas de los depósitos son las siguientes: Máquina A: Th = 1.000 °K, Tc = 700 °K; Máquina B: Th = 800 °K, Tc = 500 °K; Máquina C: T h = 600 °K, Tc = 300 °K. Clasifique las máquinas, por su eficiencia teórica posible, de mayor a menor. 14.Un gas ideal se lleva de una temperatura inicial T i a una temperatura final mayor Tf



a lo largo de dos trayectorias reversibles diferentes. La trayectoria A está a presión constante y la trayectoria B a volumen constante. ¿Cuál es la relación entre los cambios de entropía del gas para estas trayectorias? 15.Considere procesos cíclicos completamente caracterizados por cada una de las siguientes entradas y salidas de energía neta. En cada caso, las transferencias de energía que se mencionan son las únicas que ocurren. Clasifique cada proceso como a) posible, b) imposible de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, c) imposible de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica o d) imposible de acuerdo con la primera y segunda leyes. i) Entrada de 5 J de trabajo y salida de 4 J de trabajo. ii) Entrada de 5 J de trabajo y salida de 5 J de energía transferida por calor. iii) Entrada de 5 J de energía transferida por transmisión eléctrica y salida de 6 J de trabajo. iv) Entrada de 5 J de energía transferida por calor y salida de 5 J de energía transferida por calor. v) Entrada de 5 J de energía transferida por calor y salida de 5 J de trabajo. vi) Entrada de 5 J de energía transferida por calor y salida de 3 J de trabajo más 2 J de energía transferida por calor. vii) Entrada de 5 J de energía transferida por calor y salida de 3 J de trabajo más 2 J de energía transferida por ondas mecánicas. viii) Entrada de 5 J de e nergía transferida por calor y salida de 3 J de trabajo más 1 J de energía transferida por radiación electromagnética. 16.Una turbina impulsada por vapor es uno de los componentes principales de una planta eléctrica. ¿Por qué es ventajoso tener a temperatura del vapor tan alta como sea posible? 17.¿La segunda ley de la termodinámica contradice o corrige la primera ley? Argumente su respuesta. 18.La flecha OA en el diagrama PV que se muestra en la figura representa una expansión adiabática reversible de un gas ideal. La misma muestra de gas, a partir del mismo estado O, ahora experimenta una expansión libre adiabática hacia el mismo volumen final. ¿Qué punto sobre el diagrama podría representar el estado final del gas?

19.i) ¿Cuál debe ser el coeficiente de realización de un refrigerador, según la segunda ley de la termodinámica?. ii) ¿Cuál debe ser el coeficiente de realización de una bomba de calor, según la segunda ley de la termodinámica? Profesor: Julián Fernando Ruiz Roa. Junio 17 2013 9 | 19

Universidad de Antioquia. Instituto de Física. Facultad de Ingenierías. 20.Ocurre un proceso termodinámico en el que la entropía de un sistema cambia en -8 J/°K. De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, ¿qué puede concluir acerca del cambio de entropía del ambiente? 21.Una muestra de un gas monoatómico ideal está contenido en un cilindro con un pistón. Su estado se representa mediante el punto en el diagrama PV que se muestra en la figura. Las flechas de la A a la H representan procesos isotérmicos, isobáricos, isovolumétricos y adiabáticos que experimenta la muestra. En cada compresión y expansión el volumen cambia en un factor de 2.

∫

a) Clasifique estos procesos de acuerdo con el trabajo W máq=+ P dV realizado por el gas desde el máximo valor positivo hasta el valor negativo de mayor magnitud. En su clasificación, muestre cualquier caso de igualdad. b) Clasifique los mismos procesos de acuerdo con el cambio en energía interna del gas, desde el mayor valor positivo hasta el valor negativo de mayor magnitud. c) Clasifique los mismos procesos de acuerdo con la energía transferida a la muestra por calor. d) Clasifique los procesos del A al H de acuerdo con el cambio de entropía del gas ideal monoatómico, desde el mayor valor positivo hasta el valor negativo de mayor magnitud. 22.Suponga que una muestra de gas ideal está a temperatura ambiente. ¿Qué acción hará que la entropía de la muestra aumente?



PROPIEDADES Y PROCESOS TÉRMICOS. Preguntas de Falso y Verdadero:

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Durante un cambio de fase la temperatura de una sustancia permanece constante.

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La conducción de energía térmica por unidad de tiempo es proporcional al gradiente de temperatura.

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La energía radiante emitida por un cuerpo por unidad de tiempo es proporcional al cuadrado de su temperatura absoluta.

Preguntas:

1. Una lámina grande de metal tiene un orificio recortado en su centro. Al calentar la lámina, ¿Cómo cambia el área del orificio? 2. Los alpinistas dicen que no pueden cocer un huevo duro en lo alto del Monte Rainier. ¿Por qué esto es cierto?, de las razones necesarias. 3. Si la temperatura absoluta de un cuerpo se triplica,¿Cuál será la energía térmica que se irradia por unidad de tiempo, comparada con la energía térmica de la temperatura inicial? 4. ¿Mediante qué mecanismos la Tierra pierde calor ? 5. Dos cilindros de materiales distintos A y B tienen iguales longitudes; sus diámetros se encuentran en la relación d A=2 d B .Cuando se mantiene la misma diferencia de temperatura entre los dos extremos de los cilindros, ambos conducen el mismo calor por unidad de tiempo. ¿Cuál es la relación entre sus conductividades térmicas? 6. Una barra de cobre de 2 m de longitud posee una sección transversal circular de ° ° 1 cm de radio. Uno de sus extremos se mantiene a 100 C y el otro a 0 C , y su superficie se aísla de modo que las pérdidas de calor a lo largo de la misma sean despreciables. Calcular a) la resistencia térmica de la barra, b) la corriente térmica o flujo de energía I , c) el gradiente de temperatura Δ T / Δ x y d) la temperatura a

25 cm

del extremo caliente.

7. Dos cubos metálicos de aristas de 3 cm , uno de cobre ( Cu) y otro de aluminio ( Al ) , se disponen como se muestra en la siguiente figura. Determinar a) la resistencia térmica de cada cubo, Profesor: Julián Fernando Ruiz Roa. Junio 17 2013 11 | 19

Universidad de Antioquia. Instituto de Física. Facultad de Ingenierías. b) la resistencia térmica del sistema de los dos cubos, c) la corriente térmica I y d) la temperatura en la interfaz de los dos cubos.

8. Dos cubos metálicos de aristas de 3 cm , uno de cobre ( Cu) y otro de aluminio ( Al ) , se disponen como se muestra en la siguiente figura. Determinar a) la corriente térmica que circula por cada cubo de un extremo a otro, b) la corriente térmica total y c) la resistencia térmica equivalente del sistema de dos cubos.

9. Tiene dos barras de la misma longitud y diámetro, pero están formadas de diferentes materiales. Las barras se usan para conectar dos regiones a distintas temperaturas de modo que las transferencias de energía a través de las barras son por calor. Las barras se conectan en serie, como en la figura a, o en paralelo, como en la figura b. ¿En cuál caso la rapidez de transferencia de energía por calor es mayor? Profesor: Julián Fernando Ruiz Roa. Junio 17 2013 12 | 19



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EJERCICIOS COMPLEMENTARIOS. Preguntas:

1. Si se introduce un termómetro en una olla de agua caliente y se registra la lectura de aquél, ¿qué temperatura se registrará? 2. ¿Cuáles de los siguientes tipos de termómetro tienen que estar en equilibrio térmico con el objeto que se mide, con la finalidad de dar lecturas exactas? i) una tira bimetálica; ii) un termómetro de resistencia; iii) un termómetro para la arteria temporal; iv) tanto i) como ii); todos: i), ii) y iii). 3. Ordene de mayor a menor las siguientes temperaturas: a) 0.00 °C; b) 0.00 °F; c) 260.00 °K; d) 77.00 °K; e) 2180.00 °C. 4. En la tira bimetálica de la figura, el metal 1 es cobre. ¿Cuál de los siguientes materiales podría usarse como metal 2.(Quizás haya más de una respuesta correcta.) i) acero; ii) latón; iii) aluminio.

5. Suponga que quiere elevar la temperatura, de 20 °C a 21 °C, en cada una de las siguientes muestras. Ordénelas de mayor a menor, según la cantidad de calor que se requiere para lograrlo. i) un kilogramo de mercurio; ii) un kilogramo de etanol; iii) un mol de mercurio; iv) un mol de etanol. 6. Si tomamos un bloque de hielo a 0 °C y le añadimos calor a ritmo constante, después de un tiempo t todo el hielo se habrá convertido en vapor de agua a 100 °C. ¿Qué tendrá al tiempo t/2? 7. Una habitación tiene una pared hecha de concreto, otra de cobre, y otra más de acero. Todas las paredes son del mismo tamaño y tienen la misma temperatura de 20 °C. ¿Qué pared se sentirá más fría al tocarla?



8. Clasifique los siguientes gases ideales en orden decreciente de acuerdo con el número de moles: a) 1 atm de presión, 1 L de volumen y temperatura de 300 °K; b) 2 atm de presión, 1 L de volumen y temperatura de 300 °K; c) 1 atm de presión, 2 L de volumen y temperatura de 300 °K; d) 1 atm de presión, 1 L de volumen y temperatura de 600 °K; e) 2 atm de presión, 1 L de volumen y temperatura de 600 °K. 9. Imagine que pudiera ajustar el valor de r 0 para las moléculas de cierto compuesto químico con una perilla. Si se duplicara el valor de r 0 , ¿ cuál sería la densidad de la forma sólida del compuesto?

10.Clasifique los siguientes gases a) de mayor a menor rapidez rms de las moléculas y b) de mayor a menor energía cinética de traslación media de una molécula: i) oxígeno (M = 32.0 g/mol) a 300 °K; ii) nitrógeno (M = 28.0 g/mol) a 300 °K; iii) oxígeno a 330 °K; iv) nitrógeno a 330 °K. 11.Un cilindro con volumen fijo contiene hidrógeno gaseoso (H2) a 25 °K. Ahora se agrega calor al gas a ritmo constante hasta que su temperatura llega a 500 °K. ¿La temperatura del gas aumenta a ritmo constante? ¿Por qué? Si no, ¿la temperatura aumenta con mayor rapidez cerca del principio o cerca del final de este proceso? 12.La presión atmosférica media en Marte es de 6.0x102 Pa. ¿Podría haber lagos o ríos en Marte en la actualidad? ¿Y en el pasado, cuando, según se cree, la presión atmosférica era considerablemente mayor que ahora? 13.Una cantidad de un gas ideal sufre una expansión que incrementa su volumen de V1 a V2=2V1. La presión final del gas es p 2. ¿El gas efectúa más trabajo sobre su ambiente, si la expansión es a presión constante o a temperatura constante? 14.El sistema que se describe en la figura sufre cuatro procesos termodinámicos distintos. Cada proceso se representa en una gráfica pV como una recta que va de un estado inicial a un estado final. Ordene del más positivo al más negativo, los Profesor: Julián Fernando Ruiz Roa. Junio 17 2013 15 | 19

Universidad de Antioquia. Instituto de Física. Facultad de Ingenierías. procesos para la cantidad de trabajo efectuado por el sistema.

15.Ordene del más positivo al más negativo, los siguientes procesos termodinámicos, según el cambio de energía interna en cada uno. i) Cuando usted hace 250 J de trabajo sobre un sistema, éste transfiere 250 J de calor a su entrono; ii) cuando usted hace 250 J de trabajo sobre un sistema, éste absorbe 250 J de calor de su entorno; iii) cuando un sistema hace 250 J de trabajo sobre usted, se transfieren 250 J de calor a su entorno; iv) cuando un sistema efectúa 250 J de trabajo sobre usted, el sistema absorbe 250 J de calor desde el entorno. 16.¿Cuáles de los procesos de la figura son isocóricos? ¿Cuáles son isobáricos? ¿Es posible saber si alguno de los procesos es isotérmico o adiabático?

17.¿Es probable que la energía interna de un sólido sea independiente de su volumen, como sucede con el gas ideal? Explique su razonamiento. (Sugerencia: véase la figura)

18.Se quiere enfriar un cilindro de almacenamiento que contiene 10 moles de gas comprimido de 30 °C a 20 °C. ¿Para qué clase de gas sería más sencillo? 19.Usted tiene cuatro muestras de gas ideal, cada una de las cuales contiene el mismo número de moles de gas y tiene los mismos temperatura inicial, volumen y presión. Luego comprime cada muestra a la mitad de su volumen inicial. Ordene de mayor a



menor las cuatro muestras, de acuerdo con el valor de su presión final. i) un gas monoatómico comprimido isotérmicamente; ii) un gas monoatómico comprimido adiabáticamente; iii) un gas diatómico comprimido isotérmicamente; iv) un gas diatómico comprimido adiabáticamente. 20.Nuestras manos derecha e izquierda normalmente están a la misma temperatura, como la caja metálica y el hielo de la figura. ¿Frotarnos las manos para calentarlas es i) un proceso reversible, o ii) un proceso irreversible?

21.Ordene de la mayor a la menor las siguientes máquinas térmicas, según su eficiencia térmica. i) un motor que en un ciclo absorbe 5000 J de calor y expulsa 4500 J de calor; ii) un motor que en un ciclo absorbe 25,000 J de calor y efectúa 2000 J de trabajo; iii) un motor que en un ciclo realiza 400 J de trabajo y expulsa 2800 J de calor. 22.Para un motor de ciclo Otto con cilindros de tamaño fijo y tasa de compresión constante, ¿cuál de los siguientes aspectos del diagrama pV de la figura cambiarían, al duplicarse la cantidad de combustible quemada por ciclo? (Tal vez haya más de una respuesta correcta.) i) la distancia vertical entre los puntos b y c; ii) la distancia vertical entre los puntos a y d; iii) la distancia horizontal entre los puntos b y a.


Universidad de Antioquia. Instituto de Física. Facultad de Ingenierías. 23.¿Por qué no podemos enfriar una casa dejando abierta la puerta del refrigerador? 24.Imagine que un inventor en busca de apoyo financiero acude a usted con una idea para un motor de gasolina que opera según un novedoso tipo de ciclo termodinámico. El diseño requiere usar exclusivamente cobre en la construcción, y enfriamiento con aire. El inventor asegura que la eficiencia del motor será del 85%. ¿Le conviene invertir en este maravilloso motor? 25.Suponga que 2.00 kg de agua a 50 °C cambia espontáneamente de temperatura, de manera que la mitad del agua se enfría a 0 °C mientras que la otra mitad se calienta a 100 °C. (Toda el agua sigue siendo líquida: no se congela ni se vaporiza.) ¿Cuánto cambiaría la entropía del agua? ¿Es posible este proceso? ¿Por qué? 26.N moléculas de gas ideal ocupan inicialmente un volumen V. Luego, el gas se expande a un volumen 2V. El número de estados microscópicos del gas aumenta con esta expansión. ¿En cuál de las siguientes circunstancias aumentará al máximo este número? i) La expansión es reversible e isotérmica; ii) la expansión es reversible y adiabática; iii) el número cambiará en la misma cantidad para ambas circunstancias.



BIBLIOGRAFÍA. 1.

Tipler P.A., Mosca G. Física para Científicos e Ingenieros. 5ta edición. Editorial Reverté S.A, Barcelona, 2008. p 420-429, 456-465, 484-492, 512-517, 542-550, 574-581, 599-604.

2.

Serway R.A., Jewett J.W. Física para Ciencias e Ingeníeria. Volumen 1. 7ma edición. Cengage Learning Editores, 2008. p 531-640.

3.

Young H.D., Freedman R.A. Física Universitaria. Volumen 1. 12da edición. Pearson Educación, 2009. p 570-708.


Taller 3 Descubriendo la Física 2013-01

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