Problemas. Termodinámica Física Grupo 2 Curso 14-15 1

eman ta zabal zazu
Dpto. de Física de la Materia Condensada
universidad
euskal herriko
del país vasco
unibertsitatea
Física
Grupo 2
Curso 14-15
Problemas. Termodinámica
1- Calcula el volumen que ocupa un mol de un gas, a una temperatura de 0 ºC y una
presión de 1 atm.
(Sol: V= 22.4 litros)
2- Una muestra de alcohol etílico (C2 H5 OH ) tiene una densidad de 806 kg/m3 y un volumen de 2!10"3 m3. a)
Determina la masa (en Kg) de una molécula de alcohol etílico. b) Encuentra el número N de moléculas en la
muestra.
(Sol: (a) 7.65!10"26 ;(b) N= 2.11!1025 moléculas)
3- Un gas ocupa un volumen de 2 litros cuando está a una temperatura de 30 ºC y una presión de 1 atm. Se
calienta el gas hasta los 60 ºC y a la vez se comprime hasta que su volumen sea de 1.5 litros. Calcula cuál es la
presión en esa nueva situación.
(Sol: 1.47 atm)
4- El volumen que ocupan 100 gr de gas CO2 a una presión de 1 atm es de 55 litros.
(a) Calcula la temperatura del gas
(b) Si se cambia el volumen hasta los 80 litros, manteniendo la temperatura constante, calcula la nueva presión.
(Sol: (a) T= 295 K (b) P= 0.688 atm)
5- Si la temperatura de un gas se eleva desde 0 ºC hasta 100 ºC a presión constante, ¿en qué factor cambia su
volumen?
(Sol: 1.37)
6- Debido a una diferencia de temperatura !T, el calor se transfiere a través de un plato de aluminio de un
grosor de 0.035 m. Reemplazamos el plato de aluminio por uno de acero inoxidable que tiene la misma sección
transversal, y mantenemos la misma diferencia de temperatura. ¿Cuál es el grosor L del plato de acero
inoxidable para que conduzca la misma cantidad de calor por segundo?
(Sol: L= 2 mm)
7- El filamento de una bombilla está a una temperatura de T = 3000 K, y radia 60 W de potencia. La emisividad
del filamento es de 0.36. Calcula la superficie del filamento. Nota: La constante Stefan-Boltzmann es # = 5.67 !
10" 8 W/(m2·K4).
(Sol: 3.63 ! 10" 5 m2 )
8- Una esfera sólida está a una temperatura de T = 773 K. Se funde la esfera y se remoldea para que tenga una
forma de cubo. Considerando que el cubo tiene misma emisividad y la misma potencia de radiación que la
esfera. ¿A qué temperatura está el cubo?
(Sol: T= 732 K)
9- Los extremos de una barra se mantienen a temperatura constante. La temperatura en el extremo más frío es
de 11 ºC, la temperatura a una distancia de 0.13 m del extremo más frío es de 23 ºC, y la temperatura en el
extremo más caliente es de 48 ºC. Calcula la longitud L de la barra.
Nota: Asume que el calor sólo fluye a lo largo de la barra; es decir, que no se pierde calor con el ambiente.
(Sol: L = 40 cm)
10- Determina cuánto calor se necesita para subir en 20 ºC la temperatura de un bloque de Cu de 3 kg. Dato: El
calor específico del cobre es c = 386 J/(kg·K).
(Sol: 23.2 kJ)
11- Para medir el calor específico del plomo, se cogen 600 g de perdigones a 100 ºC, y se meten en un
calorímetro de aluminio, que contiene 500 g de agua a una temperatura de 17.3 ºC. Si la temperatura final de
todo el sistema es de 20.0 ºC, ¿cuál es el calor específico del plomo? Datos: Masa del calorímetro m = 200 g ;
calor específico del aluminio cAl = 900 J/(kg·K); calor específico del agua cagua = 4.18 kJ/(kg·K).
(Sol: cPb = 128 J/(kg·K))
12- ¿Cuánto calor deberíamos darle a un bloque de hielo de 1 kg que está a -20 ºC para que se evapore
completamente? Datos: calor específico del hielo ch = 2.05 kJ/(kg·K); calor latente de fusión del hielo Lf = 333.5
kJ/kg; calor específico del agua ca = 4.18 kJ/(kg·K); calor latente de evaporación del agua La = 2257 kJ/kg.
(Sol: 3.05 MJ)
13- Una botella de limonada ha estado todo un día encima de una mesa que está 33 ºC . Hemos vertido 0.24 kg
de limonada a un vaso que tenía cubitos de hielo. Sabemos que cada cubito tiene una masa de 0.025 kg y está a
0 ºC.
(a) Suponiendo que no se pierde calor con el entorno, ¿cuántos cubitos había en el vaso si la temperatura final
del conjunto limonada-cubitos es de 13.55 ºC?
(b) ¿Cuál será la temperatura final si metemos otros 5 cubitos de hielo en el vaso?
Nota: Suponemos que la limonada tiene el mismo calor específico que el agua.
Datos: calor latente de fusión del hielo Lf = 333.5 kJ/kg; calor específico del agua ca = 4.18 kJ/(kg·K). (Mayo
2011)
(Sol: (a) 2 cubitos, (b) 0 ºC, no se consigue fundir todo el hielo)
14- Un hombre de 75 kg utiliza energía a una tasa de 10000 kJ por día. Supóngase que el 10 % de dicha energía
es utilizada en forma de trabajo y que el 90% se gasta en calor. Si el cuerpo no tuviera medios para desprender
este calor, ¿cuánto aumentaría por hora el promedio la temperatura? Nota: Considerar que el calor específico de
los tejidos animales es aproximadamente igual al del agua.
(Sol: 1.2 ºC/h)
15- Si 0.15 kg de hielo a 0 ºC se añaden a 0.25 kg de agua a 20 ºC , (a) ¿se funde todo el hielo?; (b) ¿cuál es la
temperatura final?
(Sol: (a) no, (b) 0 ºC)
16- Una botella de limonada ha estado todo un día encima de una mesa que está a 33ºC. Hemos vertido 0.24 kg
de limonada a un vaso que tenía dos cubitos de hielo, de 25g cada uno. (a) Suponiendo que no se pierde calor
con el entorno, y que los cubitos están a 0 ºC ¿cuál es la temperatura final de la limonada? (b) ¿Cuál sería la
temperatura final si los dos cubitos de hielo estuvieran a -18 ºC?
Nota: Suponer que la limonada tiene el mismo calor específico que el agua. (Datos: calor latente de fusión del
hielo Lf = 333.5 kJ/kg; calor específico del agua ca = 4.18 kJ/(kg·K); calor específico del hielo ch = 2.05 kJ/
(kg·K).) (Mayo 2014)
(Sol: (a) 13.55 ºC (b) 12.03 ºC)
17- Vertemos agua a 23 ºC a 180 g de oro fundido a 1063 ºC (su temperatura de fusión). El agua se evapora,
formando vapor a 100 ºC, y dejando oro sólido a 1063 ºC. ¿Cuál es la cantidad mínima de agua que hace falta
para que ocurra este proceso?
Datos: Calor latente de fusión del oro LAu = 6.28 ! 104 J/kg; calor específico del agua ca= 4.18 kJ/(kg·K); calor
latente de evaporación del agua La = 2257 kJ/kg.
(Sol: 4.38 g)
18- Para demostrar la equivalencia entre el calor y la energía, se deja caer desde una altura h un recipiente
térmicamente aislado lleno de agua, para que choque inelásticamente con el suelo. ¿Cuál tiene que ser la altura
h para que la temperatura del agua se incremente en 1 ºC?
Nota: Supondremos que toda la energía de la caída se utiliza en subir la temperatura del agua
Dato: Calor específico del agua ca = 4.18 kJ/(kg·K)
(Sol: h= 426 m)
19- Un sistema está formado por 3 kg de agua a 80 ºC. Mediante una paleta se remueve el agua, haciendo 25 kJ
de trabajo sobre el sistema y a la vez salen del sistema 15 kcal de calor. Calcula el cambio de la energía interna
del sistema. Dato: 1 kcal = 4.18 kJ.
(Sol: !U = "37.7 kJ)
20- Un meteorito de 5 kg llega al suelo a 2000 m/s. ¿Cuánta energía térmica se libera si toda su energía cinética
se transforma en energía térmica?
(Sol: 10 MJ)
21- Un gas a 2 atm de presión se calienta y se deja expansionar contra un émbolo sin rozamiento a presión
constante. Si la variación de volumen es de 0.5 m3, ¿cuánto trabajo hace el gas?
(Sol: W= 1.01·105 J)
22- Un gas realiza trabajo en un proceso isobárico a presión P = 105 Pa. ¿Cuánto trabajo realiza el gas si (a) el
volumen inicial es Vi = 0.01 m3 y el volumen final es Vf = 0.0224 m3; (b) el volumen inicial es Vi = 0.02 m3 y el
volumen final es Vf = 0.005 m3.
(Sol: (a) W= 1.24 kJ, (b) W= -1.5 kJ)
23- Un gas ideal se expande del punto A al punto B a lo largo del proceso que se ve en
la imagen. a) Determine el trabajo realizado por el gas; b) La temperatura del gas en el
punto A es T = 185 K. ¿Cuál es la temperatura en el punto B?
(Sol: (a) W= 2 MJ, (b) T = 925 K)
24- En un proceso, la entropía del sistema crece 125 J/K. Durante el proceso, toda la energía se puede utilizar
para realizar trabajo. a) ¿Es este proceso reversible o irreversible? ¿por qué? b) Determine el cambio de entropía
del ambiente.
(Sol: (b) !S = "125 J/K)
25- Un motor de Carnot tiene una eficiencia de 0.40. La temperatura (en Kelvin) de la fuente caliente se
cuadruplica, y la temperatura (en Kelvin) de la fuente fría se dobla. ¿Cuál es la eficiencia resultante de estos
cambios?
(Sol: e = 0.70)
26- Un gas ideal experimenta un proceso cíclico A-B-C-D-A, como muestra la imagen. Al principio el gas tiene
un volumen de 1 litro y una presión de 2 atm. El gas se expande bajo presión constante hasta que su volumen
sea de 2.5 litros. Entonces, manteniendo el volumen constante, se enfría hasta que su presión sea de 1 atm. A
continuación, se comprime a presión constante hasta que su volumen sea otra vez de 1 litro. Por último, se
calienta manteniendo el volumen constante hasta que vuelve a la configuración inicial. Determina el trabajo
total realizado por el gas y el calor total que se cede al sistema durante el ciclo.
(Sol: Wtotal = 152 J; Q = 152 J)