Repartido Nº 12

Física I para Licenciaturas de Física, Matemática , Ciencias de la Atmósfera y Física Médica
Facultad de Ciencias - Instituto de Física
PRÁCTICO Nº 12 - Termodinámica I
1.- El mejor vacío que se puede obtener en el laboratorio corresponde a una
presión de unas 10-18 atmósferas (10-13 Pa).
¿Cuántas moléculas por
centímetro cúbico hay aproximadamente en ese vacío a 22°C?
2.- Un tubo abierto en un extremo y cerrado en otro de longitud L = 25,0 m
contiene aire a la presión atmosférica. Se introduce verticalmente en un lago
de agua dulce hasta que el agua se eleva a la mitad del tubo, como se
muestra en la figura. ¿Cuál es la profundidad h del extremo inferior del tubo?
Suponga que la temperatura es la misma en cualquier parte y que no
cambia.
3.- Si el volumen de los pulmones de un hombre es V0 haga un modelo que le permita estimar el
volumen (en función de V0) cuando está sumergido a una profundidad de 10 metros bajo de la
superficie del mar.
4.- Una esfera de 20 cm de diámetro contiene gas ideal a 1,00 atm y 20,0ºC. Conforme la esfera
se calienta hasta una temperatura de 100,0ºC, una válvula (que mantiene la presión constante)
deja que el gas escape. La válvula se cierra luego de haber alcanzado esa temperatura, y la
esfera se pone en un baño de agua congelada hasta alcanzar la temperatura de 0,00ºC .
Determine la presión en la esfera cuando ésta está a la temperatura del agua congelada.
5.- La masa de una molécula de H2 es 3,3×10-27 kg. Si 1,6×1023 moléculas por segundo golpean
2,0 cm2 de una pared con un ángulo de 55° con la normal cuando se mueven a 1,5×105 m/s ¿qué
presión ejercen sobre la pared?
6.- a) Calcule las temperaturas a las cuales la velocidad r.m.s. es igual a la velocidad de escape
de la Tierra para el hidrógeno molecular y para el oxígeno molecular.
b) Haga lo mismo para la Luna suponiendo que la aceleración gravitatoria en su superficie sea
0,16g.
c) La temperatura de las capas superiores de la atmósfera de la Tierra es de unos 1000K ¿Es de
esperar que haya mucho Hidrógeno allí? ¿Y mucho Oxígeno?
d) Investigue si es posible que escape hidrógeno de la superficie del Sol. La temperatura en la
superficie es de unos 6000K
7.- El recipiente A contiene un gas ideal a una presión
de 5,0  105 Pa y a una temperatura de 300 K. Está
conectado por un tubo delgado al recipiente B con
cuatro veces el volumen A; véase la figura.
El recipiente B contiene el mismo gas ideal a una
presión de 1,0  105 Pa y a una temperatura de 400 K.
Se abre la válvula de conexión, y se llega al equilibrio
a una presión común mientras que la temperatura de
cada recipiente se mantiene constante en su valor
inicial. ¿Cuál es la presión final del sistema?
8. Se abre la puerta de un refrigerador, y el aire a temperatura ambiente (20,0 °C) llena el
compartimiento de 1,50 m3. Un pavo de 10,0 kg, también a temperatura ambiente, se coloca en
el interior del refrigerador y se cierra la puerta. La densidad del aire es de 1,20 kg/m3 y su calor
específico es 1020 J/kgK. Suponga que el calor específico de un pavo, al igual que el del ser
humano, es 3480 J/kgK. ¿Cuánto calor debe eliminar el refrigerador de su compartimiento para
que el aire y el pavo alcancen el equilibrio térmico a una temperatura de 5,00 °C? Suponga que
no hay intercambio de calor con el ambiente circundante.
Repartidos de ejercicios Nº 12 – 2016
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Física I para Licenciaturas de Física, Matemática , Ciencias de la Atmósfera y Física Médica
Facultad de Ciencias - Instituto de Física
9.- a) Un estudiante típico que escucha atentamente una clase de física produce 100 W de calor.
¿Cuánto calor desprende un grupo de 90 estudiantes de física, en una aula durante una clase de
50 minutos?
b) Suponga que toda la energía térmica del inciso a) se transfiere a los 3.200 m3 de aire del aula.
El aire tiene un calor específico 1020 J/kgK y una densidad de 1,20 kg/m3. Si nada de calor
escapa y el sistema de aire acondicionado está apagado, ¿cuánto aumentará la temperatura del
aire durante tal clase?
c) Si el grupo está en examen, la producción de calor por estudiante aumenta a 280 W. ¿Cuánto
aumenta la temperatura en 50 min en este caso?
10.- Quemaduras de vapor contra quemaduras de agua. ¿Cuánto calor entra en su piel si
recibe el calor liberado por:
a) 25,0 g de vapor de agua que inicialmente está a 100,0 °C, al enfriarse a la temperatura de la
piel (34,0 °C)?
b) 25,0 g de agua que inicialmente está a 100,0 °C al enfriarse a 34,0 °C?
c) ¿Qué le dice esto acerca de la severidad relativa de las quemaduras con vapor y con agua
caliente?
11.-La temperatura del aire en áreas costeras se ve influida considerablemente por el gran calor
específico del agua. Una razón es que el calor liberado cuando 1 metro cúbico de agua se enfría
1ºC aumentará la temperatura de un volumen enormemente más grande de aire en 1ºC. Calcule
ese volumen de aire (los datos que precisa podrían estar ocultos en algún otro ejercicio de este
práctico). Discuta el efecto de este fenómeno sobre el clima y los ecosistemas de las zonas
costeras. En invierno, las tierras costeras tienen menor temperatura que el mar, pero en verano
lo opuesto es válido. Explique por qué. (Sugerencia: la capacidad calorífica específica de la tierra
es sólo de 0,2 a 0,8 veces la del agua.)
12.- Pérdida de calor al respirar. Cuando hace frío, un mecanismo importante de pérdida de
calor del cuerpo humano es la energía invertida en calentar el aire que entra en los pulmones al
respirar. a) En un frío día de invierno cuando la temperatura es de -20 °C, ¿cuánto calor se
necesita para calentar a la temperatura corporal (37 °C) los 0,50 L de aire intercambiados con
cada respiración? Suponga que la capacidad calorífica específica del aire es 1200 J/kg·K y que 1,0
L de aire tiene una masa de 1,30×10-3 kg.
b) ¿Cuánto calor se pierde por hora si se respira 20 veces por minuto?
13.- Se desea enfriar 0,25 kg de Mate-Cola (casi pura agua), que está a 25 °C, agregándole
hielo que está a -20 °C. ¿Cuánto hielo se debería agregar para que la temperatura final sea 0,0
°C con todo el hielo derretido, si puede despreciarse la capacidad calorífica del recipiente?
14.- Vaporización- a) Los seres humanos somos mamíferos muy bien adaptados (unos más que
otros) a mantener nuestra temperatura baja en climas tropicales. Algunos científicos proponen
que eso se debe a que en los orígenes de la humanidad resultaba provechoso movilizarse en la
sabana africana durante el día momento en que los demás mamíferos (en particular hienas,
leones y felinos con dientes de sable) se encontraban en reposo para mantener su temperatura
baja. Una adaptación especial de nuestra especie es tener un gran número de glándulas
sudoríparas, muchas concentradas en la frente para mantener a las delicadas células nerviosas
del cerebro a una temperatura baja. ¿Por qué cubrir el cuerpo de sudor ayuda a mantener la
temperatura baja? ¿Qué desventajas tiene este método de regulación térmica? ¿Cómo el hombre
puede sortear esas desventajas con más facilidad que otros animales?
La evaporación del sudor es un mecanismo importante para controlar la temperatura de algunos
animales de sangre caliente.
b) ¿Qué masa de agua debe evaporarse de la piel de un hombre de 70,0 kg para enfriar su
cuerpo 1,00 C°? El calor de vaporización del agua a la temperatura corporal de 37,0 °C es de
2,42×106 J/kg. La capacidad calorífica específica del cuerpo humano es de 3480 J/kg.K poco
menos que la del agua; la diferencia se debe a la presencia de proteínas, grasas y minerales,
cuyo calor específico es menor que el del agua.)
c) ¿Qué volumen de agua debe beber el hombre para reponer la que evaporó? Compárelo con el
volumen de una lata de bebida gaseosa (355 cm3).
Repartidos de ejercicios Nº 12 – 2016
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