Guía de Repaso 10: Calor y Energía

Termodinámica y Máquinas Térmicas
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Guía de Repaso 10: Calor y Energía
1- Dos bloques idénticos A y B, de hierro ambos, se
colocan en contacto y libres de influencias externas,
como muestra la figura de este ejercicio. Las
temperaturas iniciales de los bloques son tA = 200°
C y tB = 50° C.
a) Después de cierto tiempo ¿Qué sucede a la
temperatura tA? ¿Y a la tB?
b) De acuerdo con los científicos anteriores a
Rumbford y Joule ¿Cuál era la causa de las
variaciones en las temperaturas tA y tB?
2- Considere de nuevo los cuerpos del ejercicio anterior. De acuerdo con el punto de
vista de los científicos actuales:
a) Después de cierto tiempo, ¿Qué sucedió a la energía interna de A? ¿Y la de B?
b) ¿Hubo transferencia de energía de un bloque a otro? ¿En qué sentido?
c) ¿Cómo se denomina esta energía transmitida?
3- Una persona golpea varias veces con un martillo un bloque de plomo (Pb). Se halla
que la temperatura del cuerpo se eleva considerablemente. Recordando el comentario
hecho en esta sección, responda:
a) ¿Aumentó la energía interna del bloque de Pb?
b) ¿Hubo alguna transferencia de calor hacia Pb?
c) Entonces, ¿Cuál fue la causa del aumento en la energía interna de Pb?
4- a) Suponga que en el Ejercicio 1, se transfirieron 100 cal de A a B ¿Cuál es en joules
el valor de esta cantidad de calor?
b) Suponga que el trabajo total realizado por el martillo sobre el bloque metálico de
ejercicio anterior, fue de 836 J. ¿Cuál es la cantidad de calor, en calorías, que debería
proporcionársele al metal para producir en él la misma elevación de la temperatura?
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Guía de Repaso 11: Transmisión del Calor
1- Considere dos barras idénticas una de metal y otra de madera, y que uno de los
extremos de cada barra es introducido en una llama.
a) ¿Podría usted seguir sosteniendo por mucho tiempo el extremo libre de la barra de
metal? Explique.
b) ¿Por qué se podría sostener el extremo libre de la barra de madera durante un
tiempo mayor?
2- a) Una persona afirma que su abrigo es de buena calidad porque impide que el frio
pase a través de él. ¿Está afirmación es correcta? Explique.
b) Un niño descalzo y en una habitación con suelo de cerámicos, coloca su pie
izquierdo directamente sobre el piso, y su pie derecho sobre una alfombra que se
encuentra ahí. La alfombra y el suelo están a la misma temperatura ¿En cuál de los
pies tendrá el niño mayor sensación de frio? Explique.
3- a) ¿Por qué en una heladera las capas de aire cercanas al congelador, luego de
hacer contacto con él, se dirigen hacia abajo?
b) Si el congelador se coloca en la parte inferior de una heladera, ¿se formarían las
corrientes de convección? Explique.
4- Recordando los comentarios hechos en relación con el mecanismo de enfriamiento
en el interior de un refrigerador, responda:
a) ¿Por qué las aislaciones de las paredes de un refrigerador no se deben fabricar con
placas de una sola pieza?
b) ¿Por qué no conviene llenar demasiado un refrigerador?
5- a) Cuando estamos cerca de un horno muy caliente, la cantidad de calor que
recibimos por conducción y por convección es relativamente pequeña. Pero aún así
sentimos que estamos recibiendo una gran cantidad de calor. ¿Por qué?
b) Dos autos, uno de color claro y otro de color oscuro, permanecen estacionados al
Sol durante cierto tiempo. ¿Cuál cree usted que se calentará más? Explique.
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Guía de Repaso 12: Capacidad Térmica y Calor Específico
1- Un bloque metálico se encuentra inicialmente a una temperatura de 20° C. Al recibir
una cantidad de calor ΔQ = 330 cal, su temperatura se eleva a 50° C.
a) ¿Cuál es el valor de la capacidad térmica del bloque?
b) Diga con sus propias palabras lo que significa el resultado que obtuvo en (a).
2- Considerando el bloque del ejercicio anterior, responda
a) ¿Cuántas calorías deben suministrársele para que su temperatura se eleve de 20 a
100° C?
b) ¿Cuántas calorías serian liberadas si su temperatura bajara de 100 a 0° C?
3- Se sabe que la masa del bloque del Ejercicio 1 es m = 100 g.
a) ¿Cuál es el valor del calor específico del material que constituye el bloque?
b) Este material se encuentra en la relación de la Tabla de Calores Específicos.
Identifíquelo.
c) Diga con sus palabras lo que significa el resultado que obtuvo en (a).
4- Suponga que dos bloques, A y B, de cinc ambos, tienen masas m a y mb tales que
ma > m b
a) ¿El calor específico de A es mayor, menor o igual al de B?
b) La capacidad térmica de A, ¿Es mayor, menor o igual a la de B?
c) Si A y B sufrieran la misma disminución de temperatura, ¿Cuál liberaría mayor
cantidad de calor?
5- Considere 1kg de agua y 1kg de mercurio. Consultando la Tabla de Calores
Específicos responda:
a) La capacidad térmica de esta masa de agua, ¿Es mayor, menor o igual que la del
Hg?
b) Al suministrar a ambos la misma cantidad de calor, ¿Cuál sufrirá un mayor aumento
de temperatura?
c) Si el agua y el Hg se encontraran, inicialmente, ambos a la temperatura de 60° C,
¿Cuál será la mejor para calentar los pies de una persona en un día de frio?
6- a) Un bloque de cobre, de masa m = 200 g. es calentado de 30° C a 80° C. ¿Qué
cantidad de calor se le suministro al bloque?
b) Si a este cuerpo se le proporcionan 186 cal, ¿en cuanto se elevará su temperatura?
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Guía de Repaso 13: Trabajo en una variación de Volúmen
1- Suponga que un gas ideal se expandió isobáricamente a una presión p= 3x105 N/m2.
Considerando que el área del pistón es A= 5x10-2 m2, y y que se ha desplazado una
distancia d= 10 cm, responda:
⃗ que el gas ejerce sobre el pistón?
a) ¿Cual es el valor de la fuerza F
b) Calcule el trabajo L realizado por el gas utilizando la expresión L=F⋅d
2- Considera la situación descripta en el ejercicio anterior.
a) ¿Cuál fue la variación del volúmen que sufrió el gas al expandirse?
b) Calcule el trabajo L realizado por el gas utilizando la expresión L= p⋅(V f −V i) .
c) ¿La respuesta obtenida en b coincide con la respuesta del ejercicio anterior?
3- Considerando un sistema constituido por un gas en expansión, responda:
a) La variación de volúmen del gas, ¿fue positiva, negativa, o nula?
b) Entonces, el trabajo realizado, ¿fue positivo, negativo o nulo?
c) ¿En este caso decimos que el trabajo fue realizado por el sistema o sobre él?
4- Considere ahora un sistema en el que el gas es comprimido, responda las mismas
preguntas que para el ejercicio anterior.
5- Suponga que después de la expansión, el gas del ejercicio 3 hubiera sido
comprimido, conservando la misma presión hasta regresar a su volúmen inicial.
a) ¿Cuál es el trabajo realizado en esta transformación?
b) ¿Este trabajo lo realizó el gas o fue efectuado sobre él?
6- Consideremos un gas dentro de un cilindro provisto de un pistón. El gas se calienta,
pero su volúmen permanece constante.
a) ¿El gas ejerce una fuerza sobre el pistón?
b) ¿Qué sucede con el valor de la fuerza durante el calentamiento?
c) ¿Hay desplazamiento del pistón?
d) Entonces, ¿cuál es el valor del trabajo realizado en esta transformación?
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Guía de Repaso 14: Primera Ley de la Termodinámica
1- Cuando un sistema intercambia energía con su entorno:
a) Si el sistema absorbe calor, ¿su energía interna tenderá a aumentar o a disminuir?.
Entonces en este caso, en ΔU= Q – L, ¿Q deberá ser positivo o negativo?
b) Si el sistema libera calor, ¿su energía tenderá a aumentar o a disminuir? De manera
que en ΔU= Q – L, ¿Q deberá ser positivo o negativo?
2- Considere nuevamente el sistema del ejercicio anterior:
a) Si el sistema realiza trabajo, ¿su energía interna tendería a aumentar o a disminuir?
Entonces, en ΔU= Q – L, ¿L deberá ser positivo o negativo?
b) Si se realizara trabajo sobre el sistema, ¿su energía interna tendería a aumentar o a
disminuir? Entonces, en ΔU= Q – L, ¿L deberá ser positivo o negativo?
3- Un sistema sufre una transformación en la cual absorbe 50 cal de energía térmica o
calor, y se expande realizando un trabajo de 320 J.
a) ¿Cuál es en joules, el calor absorbido por el sistema? (Considere 1 cal = 4,2 J)
b) Calcule la variación de energía interna que experimentó el sistema.
c) Explique el significado de la pregunta b.
4- Un gas contenido en un cilindro provisto de un pistón, se expande al ponerlo en
contacto con una fuente de calor. Se observa que la energía interna del gas no varía. El
trabajo realizado por el gas, ¿es mayor, menor o igual que el calor que absorbió?
5- Suponga que un gas mantenido a volúmen constante, libera 170 cal a su entorno.
a) ¿Cuál fue el trabajo realizado por el gas?
b) ¿Cuál fué, en calorías, la variación de energía interna del gas?
c) La energía interna del mismo, ¿aumentó, disminuyó, o no cambió?
6- Un gas es comprimido, bajo una presión constante p= 5,0x104 N/m2, desde un
volúmen inicial Vi= 3,0x10-3 m3 hasta un volúmen final Vf=1,5x10-3 m3.
a) ¿Hubo trabajo relizado por el gas o sobre él?
b) Calcule este trabajo.
c) Si el gas liberó 100 J de calor, determine la variación de energía interna.
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Guía de Repaso 15: Aplicaciones de la Primera Ley de la
Termodinámica
1- Suponga un gas que se expande rápidamente y que el trabajo realizado por él fue
L= 250 J.
a) Si la expansión es muy rápida, ¿Qué se puede decir acerca de la cantidad de calor,
Q, que el gas intercambia con el entorno?
b) Entonces, ¿Cómo se denomina esta expansión?
c) ¿Cuál es la variación ΔU de la energía interna del gas?
d) ¿La energía interna del gas aumentó, disminuyó o no se alteró?
e) Así pues, ¿la temperatura del gas aumentó, disminuyo o no cambió?
2- Considere una compresión adiabática que se realiza rápidamente.
a- ¿Aumento la temperatura del gas? ¿Y su energía interna?
b- ¿Hubo absorción de calor por parte del gas?
c- Luego entonces, ¿Cuál fue la causa del aumento de temperatura del gas?
3- Suponga que un gas, al expandirse absorbe una cantidad de calor Q = 150 cal y
realiza un trabajo L = 630 J.
a) Exprese el valor de Q en Joules. (Considere 1 cal = 4.2 J.)
b) ¿Cuál fue la variación interna del gas?
c) ¿La energía interna del gas aumento, disminuyo o no varió? ¿Y su temperatura?
d) Ahora pues, ¿Cómo se denomina esta transformación?
4- Observe la figura. Como ya se dijo,
representa masas iguales de un mismo gas
que experimentan el mismo aumento de
temperatura.
a) La variación de la energía interna en la
transformación que se demuestra en la figura
a, ¿es mayor, menor o igual a la de la
transformación que se muestra en la figura b?
b) ¿Cuál es el trabajo realizado en la
transformación de la figura a?
c) ¿Entonces, podemos afirmar que el calor
Qv fue totalmente utilizado para aumentar la
energía interna del gas?
d) En la transformación de la Figura b,
¿Realizo trabajo el gas?
e) ¿Entonces podemos decir que el calor Qp
fue empleado totalmente para aumentar la
energía interna del gas?
f) Con base en sus respuestas anteriores,
¿puede usted concluir que Qp, es mayor,
menor o igual a Qv?
5- Un calorímetro, de capacidad térmica despreciable (C = 0) contiene 50 g de agua a
20°C. En el interior del aparato se coloca un bloque de plomo de 200 g y a una
temperatura de 100°C. Se observa, después de cierto tiempo, que la temperatura de
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equilibrio es de 30°C.
a) Siendo ce el calor especifico del plomo ¿Cómo podemos expresar el calor que
perdió?
b) ¿Cuál es el calor absorbido por el calorimetro?
c) ¿Qué calor absorbió el agua?
d) Con sus respuestas a las preguntas anteriores calcule el calor específico del plomo
6- Un recipiente de telgopor contiene 100 g de agua a una temperatura de 20° C. Al
interior del mismo se vierten 200 g de agua a 80° C. Suponiendo que todo el calor
perdió por el agua caliente haya sido absorbido por el agua fría, determine la
temperatura final, tf de la mezcla.
7- Supongamos una repetición del experimento de Joule el cuerpo suspendido tiene
una masa M = 10 kg y se deja caer de una altura h = 1.5 m (considere g = 10 m/s2).
a) ¿Cuál es el valor de la energía mecánica perdida por M, durante la caída?
b) La energía potencial perdida por m durante la caída, ¿se transforma en energía
cinética de M, en energía interna del agua o en ambas?
8- Considerando la situación descripta en el ejercicio anterior responda:
a) ¿Hubo transferencia de calor para el agua dentro del recipiente durante la caída de
M?
b) ¿Entonces, cuál fue la causa de la variación de energía del agua?
9- En relación con la experiencia mencionada en el ejercicio 7, suponga que la masa M,
haya caído 30 veces sucesivamente y que la masa del agua en el recipiente sea m =
400 g. Considerando 1 cal = 4.2 J, determine la elevación de la temperatura del agua.
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Guía de Repaso 16: Máquinas Térmicas-Segunda Ley de la
Termodinámica
1- a) Explique qué se entiende por una maquina térmica.
b) Trate de descubrir cuál es la fuente caliente y cuál es la fuente fría de la máquina de Herón.
2- Observando el esquema de la
máquina de Watt, presentando en la
figura, conteste:
a) Cuando el pistón está subiendo, la
válvula A ¿está abierta o cerrada? ¿y la
válvula B? Explique.
b) Explique porque después de
alcanzar la parte más alta del cilindro
del pistón desciende para regresar a la
posición inicial.
c) Durante el descenso del pistón ¿Cuál
de las válvulas está abierta y cuál está
cerrada?
3- En la figura de este ejercicio se reproduce el
esquema de un motor de explosión en donde A es la
válvula de admisión y B es la de escape. En esta
figura M representa la posición más alta del pistón y N
su posición más baja. Para cada una de las
situaciones siguientes diga si ella corresponde a uno
de los tiempos de funcionamiento del motor y en caso
afirmativo, cual es el nombre que se da a este tiempo.
a) El pistón se desplaza de N para M y las válvulas A
y B están cerradas.
b) El pistón se desplaza de M para N y solamente la
válvula A esta abierta.
c) El pistón se desplaza de N para M y las válvulas
están abiertas.
4- Observe el esquema de un máquina térmica cualquiera
mostrado en la figura. Suponga que en una máquina de
vapor con este esquema, en cada ciclo la fuente caliente
envié una cantidad de calor igual a 100 calorías a la
máquina y esta realice un trabajo de 84 J. Considerando
1cal=4,2J, determine:
a- El rendimiento de la maquina térmica.
b- La cantidad de calor que transfiere en cada ciclo a la
fuente fría.
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5- Un motor Diesel rinde 40%, realizando en cada ciclo un trabajo de 1000J. Calcule, en
calorías, en cada ciclo (considere aproximadamente 1cal=4J):
a) Recibe de la fuente caliente.
b) Envía para la fuente fría.
6- Se sabe que el calor de combustión del Diesel es de 45x103J/gramos, esto es, cada gramo
de Diesel libera 45x103J de energía térmica, al ser quemado totalmente. Considerando esta
información y suponiendo que el motor Diesel, mencionado en el ejercicio anterior, consuma
10g/s de combustible, determine la potencia generada por ese motor.
7- Considerando lo que fue mencionado en esta sección sobre la segunda ley de la
Termodinámica, enuncie esta ley de tres maneras equivalentes.
8- Suponga que una persona le comento que construyo una maquina térmica la cual, en cada
ciclo, recibe 100cal de la fuente caliente y realiza trabajo de 418J. Sabiendo que 1cal=4,18J,
diga si esta maquina estará infringiendo:
a) La primera ley de la Termodinámica
b) La segunda ley de la Termodinámica