EL CONCEPTO DE ENERGÍA Y LA PRIMERA LEY DE LA

EL CONCEPTO DE ENERGÍA Y LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
1. Un cuerpo de 250 g de masa que se lanza verticalmente y hacia abajo con
velocidad de 40 ms-1 desde 2000 m de altura, choca con el suelo.
Considerando nulos los rozamientos con el aire, y supuesto que la energía
cinética adquirida se transforme en el choque totalmente en calor,
determinar la cantidad de agua que, con el mismo, podríamos calentar de
30° a 35°C.
2. Supóngase un recipiente (caja negra)
en el cual entra una cierta masa de
fluido a una altura h1 del suelo y sale
a una altura diferente h2. Puede
absorber calor Q y realizar un trabajo
mecánico W. Supongamos también
que la rapidez (variación en la unidad
de tiempo) de la trasferencia de calor
y la realización de trabajo son
constantes y que el estado
termodinámico del fluido no cambia
en el tiempo. Si el fluido entra a
presión p1 con velocidad c1, sale con
la presión p2 y velocidad c2 en estas condiciones (régimen estacionario), la
ecuación de conservación de la energía toma la forma:
-W + Q = 0
Donde
hi = ui + pVi (i=1, 2) (la entalpia por unidad de masa y g es la aceleración
producida por la gravedad.
3. Un cuerpo de masa igual a 0,5 kg se lanza en una dirección vertical con una
velocidad de 10 m/s. En el punto donde su velocidad disminuye a la mitad,
10% de la pérdida en energía cinética ha sido trasferida al cuerpo, en forma
de calor y su elevación aumenta en 1 km. Calcúlese la cantidad de trabajo
que se ha realizado contra la atmósfera.
4. Cuando se evapora una cierta cantidad de agua en contacto con la
atmósfera, hay un cambio en el volumen y, por tanto, se realiza una cantidad
de trabajo. Este fenómeno requiere, sin embargo, la inyección de calor al
agua que proviene de la atmósfera misma, o de otra fuente externa. ¿Son
iguales estas cantidades? Analícese la respuesta tomando 10 lt a 100°C. El
calor latente de evaporación del agua es de 22,6 x 105 J/kg.
5. El calor de fusión del agua sólida es de 80 cal/g a 0°C y las densidades del
hielo y líquido son de 0,91 g/cm3 y 1 g/cm3 respectivamente. ¿Cuál es el
cambio en la energía interna de 1 mol de agua al fundirse a 0°C y 1 atm de
presión?
6. Dentro de un calorímetro tenemos 100 g de triclorometano a 35°C. el
recipiente está rodeado de 1,75 kg de agua a 18°C. Trascurrido un cierto
tiempo, los dos productos están a la misma temperatura de 18,22 °C. ¿Cuál
es el calor específico del triclorometano?
En un recipiente de paredes adiabáticas se introducen tres cuerpos de
las siguientes características y condiciones:
Cuerpo
Masa (g)
a
b
c
20,0
50,0
120,5
Temperatura
(°C)
25,0
80,0
470,0
Calor específico
(cal g-1 °C-1)
0,821
0,730
0,015
Determinar la temperatura en el interior del recipiente cuando se alcance el
equilibrio.
7. Un bloque de hielo de 600 cm3 que se encuentra inicialmente a 0°C se
calienta y funde bajo presión de 1 atm. El agua producida seguimos
calentándola hasta que alcanza la temperatura de 4 °C. Determinar el
aumento habido en la energía interna del sistema.
(Densidad de hielo a 0°C: 0,917 g cm-3 ; 1 atm = 1,01 x 105 Pa; calor latente
de fusión del hielo: 80 cal g-1)
8. El ritmo metabólico de un alumno en un examen es de 100 Kcal h-1. ¿Qué
temperatura alcanzará un aula con 50 alumnos en un examen, si la
temperatura del exterior es 15°C y los alumnos liberan un 50% de su energía
metabólica en forma de calor? La superficie acristalada es de 10 m2, con un
vidrio de 1 cm de espesor y conductividad térmica 0,2 cal K-1 m-1 s-1.
Ayuda: Cada alumno libera 50 Kcal h-1 y, en total, los 50 alumnos liberarán 50
x 50 Kcal h-1, es decir, 694,4 cal s-1. Este calor puede perderse por conducción
a través del vidrio.
9. ¿Qué cantidad de calor perderá por convección una persona desnuda de 1,5
m2 de superficie si está en contacto con aire a 0°C y la piel está a 30 °C?
Suponer que el coeficiente de trasferencia por convección vale 1,7 x 10-3 kcal
s-1 m-2 K-1.
10.A partir de las medidas de radiación solar recibida en la Tierra se puede
calcular que la superficie del Sol radia energía a un ritmo de 6240 w cm-1.
Suponiendo que el Sol radia como un cuerpo negro, calcular la temperatura
de la superficie del Sol.