3.1 Trabajo y calor. 3.1.1 Trabajo de expansión y compresión [000]Desde el punto de vista termodinámico, un sistema realiza trabajo si el Único efecto sobre el entorno podría ser ____________. El levantamiento de un peso. [001] Si se ha convenido que el trabajo positivo es cuando el sistema realiza Trabajo sobre su entorno, entonces el trabajo que realiza
un émbolo que Comprime un fluido es _________. Negativo. [002] Si se ha convenido que el trabajo positivo es cuando el sistema realiza trabajo sobre su entorno, entonces un fluido
expandiéndose contra un émbolo realiza trabajo _________.
Positivo. [003] Las unidades de trabajo en el SI son Joule [004] Unidad de medida para el calor muy usada en Estados Unidos y en muchos otros países de América. Se define como la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit. BTU [005] La unidad inglesa BTU se emplea al referirse a Energía. [006] La caloría es una unidad de Energía. [007] La unidad de calor conocida como ______ es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua a 1 atmósfera
de presión para elevar su temperatura en un grado Celsius. Caloría [008] Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en
un grado Celsius [009] Una kilocaloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de agua en un grado Celsius [010] Si a 0.5 kg de agua se le añaden 1000 calorías, ¿En cuanto se elevará su temperatura? 2°C [011] Científico que tras múltiples experimentaciones en las que el movimiento de unas palas, impulsadas por un juego de pesas, se movían en el interior de un recipiente con agua estableció el equivalente mecánico del calor. James Prescott Joule [012] Se denomina así a la velocidad con que se realiza un trabajo Potencia. [013] En el SI la potencia tiene unidades de Watt. Un Watt equivale a Joule/segundo [014] Los términos caballo de fuerza (HP) y caballo de vapor (CV) se utilizan como unidades de Potencia. [015] Un Kilowatt hora se refiere a la energía suministrada por una potencia de un Kilowatt durante una hora. ¿Cuál es su equivalencia
en Joules? 3.6*10^6 J. [016] La fuerza necesaria para comprimir un muelle no lineal viene dada por la expresión F = 200x + 30x^2 N, donde x es el
desplazamiento del muelle desde su longitud natural medida en metros. Determine el trabajo necesario para comprimir el muelle una longitud de 60 cm. 38.16 J [017] Cual es la potencia asociada a una resistencia sometida a una diferencia de potencial de 60 V por la que pasa una corriente de
12 mA?
0.72 W [018] Se define como la cantidad de trabajo por unidad de tiempo realizado por una corriente eléctrica. Potencia eléctrica 3.1.3 Procesos reversibles e irreversibles. i rreversibles. [019] Si en cierto proceso el volumen permanece constante, entonces el trabajo realizado es. Cero. [020] Si para un sistema la presión es función exclusiva del volumen, entonces el trabajo realizado es El área bajo la curva del diagrama pV. [021] Si en cierto proceso la presión permanece constante, entonces el trabajo se puede expresar por el valor de dicha presión
multiplicado por
El cambio del volumen.
[022] A una presión constante de 200 kPa, dos kilogramos de vapor de agua con una calidad de 20% (vf=0.001061 m^3/kg, vg=0.8857 m^3/kg) se calientan hasta que la temperatura alcanza los 400°C (v = 1.549 m^3/kg). Calcule el trabajo realizado por el vapor. 548.4 kJ [023] A una presión constante de 200 kPa, tres kilogramos de vapor de agua con una calidad de 30% (vf=0.001061 m^3/kg, vg=0.8857
m^3/kg) se calientan hasta que la temperatura alcanza los 600°C (v = 2.013 m^3/kg). Calcule el trabajo realizado por el vapor.
1047.93 kJ [024] A una presión constante de 200 kPa, cuatro kilogramos de vapor de agua con una calidad de 40% (vf=0.001061 m^3/kg,
vg=0.8857 m^3/kg) se calientan hasta que la temperatura alcanza los 800°C (v = 2.475 m^3/kg). Calcule el trabajo realizado por el vapor.
1609.1 kJ
[025] A un dispositivo cilindro-émbolo se le añade energía moviendo el émbolo de tal modo que la magnitud pV permanece constante. La presión y el volumen iniciales son 200 kPa y 2 m^3 respectivamente. Si la presión final es 100 kPa, calcule el trabajo realizado por el gas sobre el émbolo. 277 kJ [026] Una rueda de paletas suministra trabajo a un recipiente rígido mediante las rotaciones causadas por la caída de una masa de 50
kg desde una polea a una distancia de 2 m. ¿Cuánto calor habría que transferir para conseguir un efecto equivalente? 980 J [027] Cuatro kg de agua líquida saturada (x = 0) se mantienen a la presión constante de 600 kPa (vf = 0.0011 m^3/kg, vg = 0.3157
m^3/kg) mientras que se suministra calor hasta que la temperatura alcanza 600°C (0.6697 m^3/kg). Determine el trabajo realizado por el agua. 1604.64 kJ [028] Cuatro kg de vapor de agua saturado (x = 1) se mantienen a la presión constante de 600 kPa (vf = 0.0011 m^3/kg, vg = 0.3157
m^3/kg) mientras que se suministra calor hasta que la temperatura alcanza 600°C (0.6697 m^3/kg). Determine el trabajo realizado por el agua. 849.6 kJ [029] Dos kg de vapor de agua a una calidad del 25% se mantienen a la presión constante de 600 kPa (vf = 0.0011 m^3/kg, vg =
0.3157 m^3/kg) mientras que se suministra calor hasta que la temperatura alcanza 600°C (0.6697 m^3/kg). Determine el trabajo realizado por el agua.
707.94 kJ [030] En un cilindro se comprime aire de modo que el volumen disminuye de 100 a 10 in^3. La presión inicial es 50 psia y la
temperatura se mantiene constante en 100°F. Calcule el trabajo utilizando la aproximación del gas ideal. (1ft = 12 in, psi=lbf/in^2)
-959.41 ft-lbf [031] Un dispositivo cilindro-émbolo contiene 2 kg de vapor de agua saturada (x = 1) a 400 kPa (vf = 0.001084 m^3/kg, vg = 0.4625
m^3/kg). El vapor se calienta a presión constante hasta 300°C (v = 0.6548 m^3/kg). Calcule el trabajo realizado por el vapor.
153.8 kJ [032] Un dispositivo cilindro-émbolo contiene 1.5 kg de agua saturada (x = 0) a 400 kPa (vf = 0.001084 m^3/kg, vg = 0.4625 m^3/kg).
El vapor se calienta a presión constante hasta 300°C (v = 0.6548 m^3/kg). Calcule el trabajo realizado por el vapor.
392.2 kJ [033] En un recipiente rígido se calientan 0.025 kg de vapor de agua con una calidad del 7% y una presión de 200 kPa (vf = 0.001061
m^3/kg, vg = 0.8857 m^3/kg) hasta que la temperatura alcanza 220°C (vf = 0.001190 m^3/kg, vg = 0.0862 m^3/kg). Calcule la calidad final. 72.7 % [034] En un recipiente rígido se calientan 0.025 kg de vapor de agua con una calidad del 9% y una presión de 200 kPa (vf = 0.001061
m^3/kg, vg = 0.8857 m^3/kg) hasta que la temperatura alcanza 220°C (vf = 0.001190 m^3/kg, vg = 0.0862 m^3/kg). Calcule el trabajo realizado por el vapor. Cero. [035] En un cilindro se comprime aire de modo que el volumen pasa de 0.2 a 0.02 m^3. La presión al comienzo del proceso es 200 kPa. Calcule el trabajo si la presión es constante. -36 kJ [036] En un cilindro se comprime aire de modo que el volumen pasa de 0.2 a 0.02 m^3. La presión al comienzo del proceso es 200
kPa. Calcule el trabajo si la temperatura es constante y tiene un valor de 50°C.
-92.1 kJ [037] Dos kg de aire experimentan el ciclo de tres procesos mostrado en la figura. Calcule el trabajo del estado 1 al 2. cero [038] Dos kg de aire experimentan el ciclo de tres procesos mostrado en la figura. Calcule el trabajo del estado 2 al 3. 800 kJ [039] Dos kg de aire experimentan el ciclo de tres procesos mostrado en la figura. Calcule el trabajo del estado 3 al 1. -1609 kJ [040] Dos kg de aire experimentan el ciclo de tres procesos mostrado en la figura. Calcule el trabajo neto. -809 kJ 3.2 Ecuación general de la energía. 3.2.1. Energía cinética. [001] ¿Cuál es la energía cinética de un automóvil de 2400 lbf cuando circula a 55 mi/h? (1 mi = 5280 ft) 244017 ft-lbf [002] ¿Cuál es la energía cinética de una pelota de 9 lbf cuando su velocidad es de 40 ft/s? 225 ft-lbf [003] ¿Cuál es la energía cinética de una bala de 6 g en el instante en que su velocidad es de 190 m/s? 162.45 J [004] ¿Cuál es la energía cinética de un automóvil de 1200 kg que transita a 80 km/h? 296296 J [005] ¿Cuál es el cambio en la energía cinética cuando una pelota de 50 g golpea el pavimento a una velocidad de 16 m/s y rebota a
una velocidad de 10 m/s?
-3.9 J [006] Una carreta de 400 kg entra sin control en un campo de maíz a una velocidad de 12 m/s y finalmente se detiene. ¿Cuál fue la
magnitud del trabajo realizado por esa carreta?
-28800 kJ 3.2.2. Energía Potencial. [007] Un bloque de 2 kg reposa sobre una mesa a 80 cm del piso. Calcule la energía potencial del bloque en relación con el piso. 15.7 J
[008] Un bloque de 2 kg reposa sobre una mesa a 80 cm del piso. Calcule la energía potencial del bloque en relación con el asiento de una silla que está a 40 cm del piso. 7.84 J [009] Un bloque de 2 kg reposa sobre una mesa a 80 cm del piso. Calcule la energía potencial del bloque en relación con el techo, a 3
m del piso.
-43.1 J [010] En un instante dado, un proyectil de mortero desarrolla una velocidad e 60 m/s. Si su energía potencial en ese punto es igual a la
mitad de su energía cinética, ¿cuál es su altura sobre el nivel del suelo?
91.743 m 3.2.3. Energía Interna. [011] La __________ de un sistema se refiere a la energía cinética aleatoria de traslación, rotación o vibración que puedan poseer sus
átomos o moléculas, además de la energía potencial de interacción entre estas partículas. energía interna. [012] Si la energía interna de un sistema disminuye, la cantidad Delta U es Negativa. [013] La energía interna es una propiedad extensiva. La propiedad intensiva asociada es la _____________.
Energía interna específica. [014] En una habitación grande, se utiliza un ventilador de 5 hp para hacer circular el aire. Suponiendo que la habitación se encuentra
bien aislada y cerrada, determine el incremento de energía interna tras 1 h de funcionamiento. (1 hp = 746 W).
13428000 J [015] Un motor de 4 caballos de fuerza funciona dentro de un compartimiento aislado. En cuanto se eleva la energía interna de dicho
sistema aislado cuando han pasado 30 minutos.
5371.2 kJ [016] Cuatro kilogramos de liquido comprimido (x = 0) se encuentran a una presión de 400 kPa (uf = 604.3 kJ/kg, ug = 2553.6 kJ/kg).
Si la temperatura se incrementa a 600°C mientras la presión permanece constante (u = 3300.2 kJ/kg) cual es el cambio de la energía interna. 10783.6 kJ [017] Cuatro kilogramos de liquido comprimido (x = 0) se encuentran a una presión de 400 kPa (uf = 604.3 kJ/kg, ug = 2553.6 kJ/kg).
Si la temperatura se incrementa a 600°C mientras la presión permanece constante (u = 3300.2 kJ/kg) cual es el cambio de la energía interna específica. 2695.9 kJ/kg [018] Dos kilogramos de vapor saturado (x = 1) se encuentran a una presión de 400 kPa (uf = 604.3 kJ/kg, ug = 2553.6 kJ/kg). Si la
temperatura se incrementa a 600°C mientras la presión permanece constante (u = 3300.2 kJ/kg) cual es el cambio de la energía interna. 1493.2 kJ [019] Dos kilogramos de vapor saturado (x = 1) se encuentran a una presión de 400 kPa (uf = 604.3 kJ/kg, ug = 2553.6 kJ/kg). Si la
temperatura se incrementa a 600°C mientras la presión permanece constante (u = 3300.2 kJ/kg) cual es el cambio de la energía interna específica. 746.6 kJ/kg [020] Supongamos que la energía interna de un sistema disminuye en 300 J, al tiempo que un gas realiza 200 J de trabajo. ¿Cuál es el
cambio en la cantidad de calor?
-100 J [021] En un proceso químico industrial a un sistema se le proporcionan 600 J de calor y 200 J de trabajo son realizados por dicho
sistema. ¿Cuál es el incremento registrado en la energía interna de este sistema?
400 J [022] En un proceso termodinámico la energía interna del sistema se incrementa en 500 J. ¿Cuanto trabajo fue realizado por el gas si
en el proceso fueron absorbidos 800 J de calor?
300 J [023] En un laboratorio químico, un técnico aplica 340 J de energía a un gas, al tiempo que el sistema que rodea dicho gas realiza 140
J de trabajo sobre el gas. ¿Cuál es el cambio de la energía interna?
480 J [024] En un laboratorio químico, un técnico aplica 340 J de energía a un gas, al tiempo que el gas realiza 140 J de trabajo sobre el
sistema. ¿Cuál es el cambio de la energía interna? 200 J [025] Un sistema absorbe 200 J de calor cuando la energía interna aumenta en 150 J. ¿Qué trabajo realiza el gas en ese caso? 50 J [026] En determinado proceso, un sistema absorbe 400 cal de calor y al mismo tiempo realiza un trabajo de 80 J sobre sus
alrededores. ¿Cuál es el incremento en la energía interna del sistema? (1 cal = 4.186 J)
380.9 cal. 3.3. Primera ley de la termodinámica. 3.3.1. Deducción de la primera ley. [001] Al primer principio de la termodinámica también se le conoce como Principio de la conservación de la energía. [002] El primer principio de la termodinámica establece que la energía térmica absorbida por el sistema es igual a el cambio en sus
energía interna más____________.
El trabajo efectuado por el sist ema.
[003] La primera ley de la termodinámica también se puede enunciar como: En cualquier proceso termodinámico, el calor neto absorbido por un sistema es iguala a la suma del equivalente térmico del trabajo realizado por el sistema y el cambio de _____________. La energía interna del mismo. [004] En un proceso adiabático el trabajo realizado es igual a El negativo del cambio de la energía interna. [005] Así se le conoce al tipo de proceso en que no se realiza trabajo ni por el sistema ni sobre el sistema. Proceso isocórico. [006] Puesto que no puede haber cambio en el volumen sin la realización de trabajo, a los procesos isocóricos se les conoce también
como
Proceso isovolumétrico. [007] A partir de la primera ley de la termodinámica, en un proceso isocórico toda la energía térmica absorbida por un sistema
___________.
Incrementa su energía interna. [008] A partir de la primera ley de la termodinámica, en un proceso isotérmico toda la energía absorbida por un sistema se convierte en Trabajo de salida. 3.3.2. Primera ley aplicada a sistemas cerrados. [009] Cinco kilogramos de vapor de agua a una calidad del 40% se encuentran a una presión de 400 kPa (uf = 604.3 kJ/kg, ug =
2553.6 kJ/kg) y (vf = 0.001084 m^3/kg, vg = 0.4625 m^3/kg). Si la temperatura se incrementa a 600°C mientras la presión permanece constante (u = 3300.2 kJ/kg y v = 1.006 m^3/kg) cual es el cambio en la cantidad de calor. 11221.6 kJ [010] Cinco kilogramos de vapor de agua a una calidad del 60% se encuentran a una presión de 400 kPa (uf = 604.3 kJ/kg, ug =
2553.6 kJ/kg) y (vf = 0.001084 m^3/kg, vg = 0.4625 m^3/kg). Si la temperatura se incrementa a 600°C mientras la presión permanece constante (u = 3300.2 kJ/kg y v = 1.006 m^3/kg) cual es el cambio en la cantidad de calor específico. 1817.55 kJ/kg [011] Un gas ideal se expande isotérmicamente al tiempo que absorbe 4.80 J de calor. El pistón tiene una masa de 3 kg. ¿A qué altura
se elevará el pistón con respecto a su posición inicial?
16.3 cm [012] El trabajo realizado sobre un gas durante una compresión adiabática es de 140 J. Calcule el incremento de la energía interna del
sistema en calorías. (1 cal = 4.186 J) 33.44 cal [013] Durante una expansión isobárica, una presión continua de 200 kPa hace que el volumen de un gas cambie de 1 a 3 litros (1 m^3
= 1000 lt). ¿Qué trabajo ha realizado el gas?
400 J [014] Un gas está encerrado en una lata de cobre. ¿Cuánto calor es necesario suministrar para incrementar la energía interna en 59 J? 59 J [015] Un gas encerrado por un pistón se expande isobáricamente a 100 kPa. Cuando el sistema absorbe 20000 J de calor, su volumen
aumenta de 0.1 m^3 a 0.25 m^3. ¿Qué trabajo se ha realizado?
15 kJ [016] Un gas encerrado por un pistón se expande isobáricamente a 100 kPa. Cuando el sistema absorbe 20000 J de calor, su volumen
aumenta de 0.1 m^3 a 0.25 m^3. ¿Cuál es el cambio en la energía interna?
5 kJ [017] Durante una expansión isobárica, una presión continua de 50 kPa hace que el volumen de un gas cambie de 0.02 a 0.06 m^3.
¿Que trabajo ha realizado el gas?
2 kJ [018] El calor específico del bronce es 390 J/kg°C. Un trozo de bronce de 4 kg se calienta isocóricamente, con lo cual la temperatura
se eleva en 10°C. ¿Cuál es el incremento en la energía interna? 15.6 kJ 3.3.3. Entalpía. [019] La entalpía tiene la expresión matemática H=U+pV [020] El primer principio de la termodinámica puede escribirse para un proceso en equilibrio a presión constante como dQ = dH [021] La entalpía se define utilizando un sistema a presión constante cuya diferencia de entalpía entre dos estados es igual
___________. Al calor transferido. [022] En un proceso a presión constante que no sea de equilibrio, el cambio de entalpía No es igual al calor transferido. [023] Las unidades de entalpía en el SI son Joules [024] Las unidades de entalpía específica en el SI son Joule/kg [026] Para mantener una presión constante de 400 kPa en un cilindro que contiene vapor de agua sobrecalentado a 200°C (v = 0.5342
m^3/kg, u = 2646.8 kJ/kg), se usa un émbolo sin fricción. Calcule el calor comunicado por unidad de masa si la temperatura final es de 600°C (v = 1.006 m^3/kg, u = 3300.2 kJ/kg).
842.12 kJ/kg [027] Un émbolo sin fricción mantiene una presión constante de 400 kPa en el interior de un cilindro que contiene Freon 12 con una
calidad inicial del 80% (hf = 43.64 kJ/kg, hg = 190.97 kJ/kg). Si la temperatura final es de 90°C (h = 245.837 kJ/kg) calcule la cantidad de calor por unidad de masa comunicada al cilindro.
84.3 kJ/kg [028] Un émbolo sin fricción mantiene una presión constante de 400 kPa en el interior de un cilindro que contiene Freon 12 (hf = 43.64
kJ/kg, hg = 190.97 kJ/kg). Si la temperatura final es de 90°C (h = 245.837 kJ/kg) después de que se le han suministrado 75 kJ/kg en forma de calor, estime la calidad inicial del gas.
0.86% 3.3.4. Primera ley aplicada a sistemas abiertos. [029] Una muestra de gas de 100 cm^3 a la presión de 100 kPa se calienta isocóricamente desde el punto A hasta el punto B donde
su presión es de 300 kPa. ¿Cuál es el trabajo realizado en este proceso?
Cero [030] Una muestra de gas se expande isobáricamente desde el punto B donde su presión es de 300 kPa y su volumen de 100 cm^3
hasta el punto C, donde su volumen es de 400 cm^3. ¿Cuál es el trabajo realizado en este proceso?
90 J [031] Una muestra de gas a una presión de 300 kPa y volumen de 400 cm^3 en un punto C evoluciona a un punto D donde su presión
cambia a 100 kPa, sin cambio en el volumen. ¿Cuál es el trabajo realizado en este proceso? Cero [032] Una muestra de gas esta en un punto D a una presión de 100 kPa y volumen de 400 cm^3. Si dicho gas transita isobáricamente
a un punto A con volumen de 100 cm^3, ¿Cuál es el trabajo realizado en este proceso?
-30 J [033*] Una muestra de gas de 100 cm^3 a la presión de 100 kPa se calienta isocóricamente desde el punto A hasta el punto B hasta
que su presión es de 300 kPa. Después se expande isobáricamente hasta el punto C, donde su volumen es de 400 cm^3. La presión vuelve entonces a 100 kPa en el punto D sin cambio alguno de volumen. Por último, regresa a su estado original en el punto A. ¿Cuál es el trabajo neto realizado en todo el ciclo? 60 J 3.4. Capacidades caloríficas. 3.4.1. Capacidades caloríficas para gases ideales. [001] ___________ de un cuerpo es la relación del calor suministrado con respecto al correspondiente incremento de temperatura del
cuerpo.
La Capacidad calorífica. [002] Unidades del SI para la capacidad calorífica. Joule/Kelvin. [003] ___________ de un material es la cantidad de calor necesario para elevar un grado la temperatura de una unidad de masa. La capacidad calorífica específica . [004] Unidades del SI para el calor específico. Joule/(kg*Kelvin). 3.4.2. Relación Cp y Cv [005] Si se requieren 89.4 cal de calor para elevar la temperatura de una esfera de hierro de 7.85 g en 100°C, entonces la capacidad
calorífica de dicha esfera de hierro es
0.894 cal/°C [006] Si se requieren 89.4 cal de calor para elevar la temperatura de una esfera de hierro de 7.85 g en 100°C, entonces el calor
específico del hierro es
0.114 cal/g°C [007] ¿Cuánto calor se necesita para elevar la temperatura de 200 g de mercurio de 20 a 100°C? (c = 140 J/kg°C) 2200 J [008] ¿Que cantidad de calor se requiere para cambiar la temperatura de 200 g de plomo de 20 a 100°C? (c = 130 J/kg°C) 2080 J [009] Un horno aplica 400 kJ de calor a 4 kg de una sustancia, haciendo que su temperatura se eleve en 80°C. ¿Cual es la capacidad
calorífica específica? 1250 J/kg°C [010] ¿Que cantidad de calor se liberará cuando 40 lb de cobre se enfrían de 78 a 32°F? (c = 0.093 Btu/lbm°F) -171.12 Btu 3.5. Aplicaciones de la primera ley de la termodinámica. [001*] Dos litros de un gas ideal tienen una temperatura de 300 K y una presión de 2 atm. El gas soporta una expansión isobárica
mientras su temperatura se eleva hasta 500 K. ¿Que trabajo ha realizado el gas? (1 m^3 = 1000 lt)
270.13 J [002*] El diámetro de un pistón es de 6 cm y la longitud de su carrera es de 12 cm. Suponga que una fuerza constante de 340 N
mueve el pistón durante una carrera completa. Calcule el trabajo considerando la presión y el volumen.
40.8 J [003*] En un proceso termodinámico se suministran 200 Btu para producir una expansión isobárica bajo una presión de 100 lb/in^2. La
energía interna del sistema no cambia. ¿Cuál es el aumento del volumen del gas? (Btu = 778 ft*lb y ft = 12 in)
10.8 ft^3 [004*] Un émbolo sin fricción mantiene una presión constante de 400 kPa en el interior de un cilindro que contiene Freon 12 (hf = 43.64
kJ/kg, hg = 190.97 kJ/kg) y (vf = 0.7299 m^3/kg, vg = 43.21 m^3/kg). La calidad inicial es de 80% con un volumen de 25 m^3. Si la temperatura final es de 90°C (h = 245.837 kJ/kg) calcule la cantidad de calor comunicada al cilindro. 60.73 kJ [005*] Para mantener cierta presión constante en un cilindro que contiene vapor de agua sobrecalentado a 200°C (v = 0.5342 m^3/kg,
u = 2646.8 kJ/kg, h = 2860.5 kJ/kg), se usa un émbolo sin fricción. Calcule el valor de dicha presión si la temperatura final es de 600°C (v = 1.006 m^3/kg, u = 3300.2 kJ/kg, h = 3702.4 kJ/kg). 399.5 kPa
