INSTUTUTO TECNOLOGICO DE COSTA RICA CATEDRA FISICA GENERAL III I SEMESTRE 2009. Compilado por: Fís. Juan Carlos Lobo Zamora.

Practica 4. Termodinámica. 1. Se quema una mezcla de combustible y oxigeno en una lata metálica de volumen constante rodeada por un baño de agua. Durante el experimento, la temperatura del agua aumenta. Considere la mezcla de combustible y oxigeno como el sistema.

a. ¿Se transfirió calor? Explique su respuesta. b. ¿Se realizó trabajo? Explique su respuesta. c. ¿Qué signo tiene el cambio de energía interna? Explique su respuesta.

2. Un sistema se lleva por el ciclo mostrado en la figura 1, desde el estado “a” hasta el

estado “b” y de vuelta al estado “a” en dirección horaria. La magnitud de la trasferencia de calor durante el ciclo es de 6400 J.

a. ¿El sistema absorbe o libera calor al efectuar el ciclo de la figura 1? Explique. b. ¿Cuánto trabajo realiza el sistema en un ciclo? c. Si el sistema efectúa el ciclo en sentido antihorario, ¿absorbe o libera calor en

un ciclo? ¿Qué magnitud de calor intercambia en un ciclo?

Figura 1. Diagrama presión-volumen para un sistema termodinámico. 3. Considere que un gas es sometido a un proceso tal que la ecuación que relaciona la

presión y el volumen para dicho proceso es: 1,2

400pV

= , en unidades del sistema

internacional. Calcule el trabajo que se efectual si el proceso consiste de una expansión de 1,00 m3 a 6,00 m3.

4. Un cilindro con un pistón contiene 0,500 mol de oxígeno a 4,00×105 Pa y 300 K. El

oxígeno puede tratarse como un gas ideal. Primero, el gas se expande a presión constante hasta duplicar su volumen, luego se comprime isotérmicamente hasta su

V

p

volumen original, y por último se enfría a volumen constante hasta su presión original.

a. Indique la serie de procesos en un diagrama presión-volumen (pV) b. Calcule la temperatura durante la compresión isotérmica. c. Calcule la presión máxima, d. Calcule el trabajo, calor y cambio de energía interna para cada proceso.

5. Un cilindro con un pistón contiene 0,400 mol de nitrógeno a 2,00×105 Pa y 300 K. El

nitrógeno puede tratarse como un gas ideal. Primero, el gas se comprime a presión constante hasta la mitad de su volumen original, luego se expande adiabáticamente de vuelta a su volumen original, y por ultimo se calienta a volumen constante hasta la presión original.

a. Indique la serie de procesos en un diagrama pV. b. Calcule las temperaturas al principio y final de la expansión adiabática c. Calcule la presión minima.

6. Un motor de gasolina efectúa 2200 J de trabajo mecánico y desecha 2000 J de calor

en cada ciclo. a. ¿Cuánto calor debe aportarse al motor por cada ciclo? b. Calcule la eficiencia térmica del motor.

7. Un refrigerador tiene un coeficiente de rendimiento de 2,20. Durante cada ciclo,

absorbe 30 000 J de calor del depósito frío. a. ¿Cuánta trabajo se requiere en cada ciclo para operar el refrigerador? b. Durante cada ciclo, ¿cuánto calor desecha al depósito caliente?

8. Un gas ideal monoatómico se somete al ciclo de la figura 3 en la dirección indicada.

El camino del proceso c→d es una recta en el diagrama pV. Calcule: a. Q, W, ΔU y ΔS para cada uno de los procesos b. Q, W, ΔU y ΔS para el ciclo completo c. La eficiencia del ciclo. d. La eficiencia máxima para un ciclo que opere entre las mismas dos

temperaturas extremas.

Figura 3. Ciclo termodinámico del problema 9

V(m3)

a b

c

3,00×105

1,00×105

p (Pa)

0,500 0,800

9. Un cubo de hielo de 0, 0600 kg a una temperatura inicial de -15,0 oC se coloca en

0,400 kg de agua a 60,0 oC en un recipiente aislado de masa insignificante. Calcule el SΔ del sistema.

10. En un lago cuya agua está a 20,0 oC se lanza un cubo de hielo de 0,400 kg

originalmente a -5,00oC. Para este proceso calcule el cambio de entropía de: a. El cubo de hielo b. El lago c. El universo.