FISICA 2. TEMARIO DEL 1ER FINAL PROBLEMAS SOBRE: 1- Gases Ideales 2- 1ra Ley de la termodinámica 3- 2da Ley de la termodinámica EJEMPLOS GASES 18.3. Un tanque cilíndrico tiene un pistón ajustado que permite cambiar el volumen del tanque. El tanque contiene originalmente 0.110 m3 de aire a 3.40 atm de presión. Se tira lentamente del pistón hasta aumentar el volumen del aire a 0.390 m3 . Si la temperatura permanece constante, ¿qué valor final tiene la presión? 18.4. Un tanque de 3.00 L contiene aire a 3.00 atm y 20.0 °C. El tanque se sella y enfría hasta que la presión es de 1.00 atm. a) ¿Qué temperatura tiene ahora el gas en grados Celsius? Suponga que el volumen del tanque es constante. b) Si la temperatura se mantiene en el valor determinado en el inciso a) y el gas se comprime, ¿qué volumen tendrá cuando la presión vuelva a ser de 3.00 atm? 18.5. a) Use la ley del gas ideal para estimar el número de moléculas de aire que hay en su laboratorio de física, suponiendo que todo el aire es N2. b) Calcule la densidad de partículas en el laboratorio (es decir, el número de moléculas por centímetro cúbico). 18.7. Un Jaguar XK8 convertible tiene un motor de ocho cilindros. Al principio de su carrera de compresión, uno de los cilindros contiene 499 cm3 de aire a presión atmosférica (1.01x 105 Pa) y temperatura de 27.0 °C. Al final de la carrera, el aire se ha comprimido a un volumen de 46.2 cm3 y la presión manométrica aumentó a 2.72 x 106 Pa. Calcule la temperatura final. 18.8. Un soldador llena un tanque de 0.0750 m3 con oxígeno (masa molar 32.0 g/mol) a una presión manométrica de 3.00 x 105 Pa y una temperatura de 37.0 °C. El tanque tiene una pequeña fuga, y con el tiempo se escapa algo de oxígeno. Cierto día en que la temperatura es de 22.0 °C, la presión manométrica del oxígeno en el tanque es de 1.80 x 105 Pa. Calcule a) La masa inicial de oxígeno y b) la masa que se fugó. 1RA LEY 19.1. Dos moles de gas ideal se calientan a presión constante desde T = 27 °C hasta 107 °C. a) Dibuje una gráfica pV para este proceso. b) Calcule el trabajo efectuado por el gas. 19.2. Seis moles de gas ideal están en un cilindro provisto en un extremo con un pistón móvil. La temperatura inicial del gas es 27.0 °C y la presión es constante. Como parte de un proyecto de diseño de maquinaria, calcule la temperatura final del gas una vez que haya efectuado 1.75 X 103 J de trabajo. 19.3. Dos moles de gas ideal están comprimidos en un cilindro a temperatura constante de 85.0 °C hasta que se triplique la presión original. a) Dibuje una gráfica pV para este proceso. b) Calcule la cantidad de trabajo efectuado. 19.9. Un gas en un cilindro se expande desde un volumen de 0.110 m3 a 0.320 m3 . Fluye calor hacia el gas con la rapidez mínima que permite mantener la presión constante a 1.80 x 105 Pa durante la expansión. El calor total agregado es de 1.15 x 105 J. a) Calcule el trabajo efectuado por el gas. b) Calcule el cambio de energía interna del gas. c) ¿Importa si el gas tiene comportamiento ideal o no? ¿Por qué? 19.10. Cinco moles de un gas monoatómico con comportamiento ideal y temperatura inicial de 127 °C se expanden. Al hacerlo, absorben 1200 J de calor y efectúan 2100 J de trabajo. Calcule la temperatura final del gas. 19.11. Usted patea un balón de fútbol y lo comprime repentinamente a de su volumen original. En el proceso, efectúa 410 J de trabajo sobre el aire (que se supone un gas ideal) dentro del balón. a) ¿Cuál es el cambio en energía interna del aire dentro del balón debido a que se comprime? b) ¿La temperatura del aire dentro del balón aumenta o disminuye debido a la compresión? Explique su respuesta. 19.12. Un gas en un cilindro se mantiene a presión constante de 2.30 x 105 Pa mientras se enfría y se comprime de 1.70 m3 a 1.20 m3 . La energía interna del gas disminuye 1.40 x 105 J. a) Calcule el trabajo efectuado por el gas. b) Obtenga el valor absoluto del flujo de calor hacia o desde el gas, e indique la dirección del flujo. c) ¿Importa si el gas tiene comportamiento ideal o no? ¿Por qué? 19.21. Un cilindro contiene 0.250 moles de dióxido de carbono (CO2) gaseoso a una temperatura de 27.0 °C. El cilindro cuenta con un pistón sin fricción, el cual mantiene una presión constante de 1.00 atm sobre el gas. El gas se calienta hasta que su temperatura aumenta a 127.0 °C. Suponga que el CO2 se puede tratar como gas ideal. a) Dibuje una gráfica pV para este proceso. b) ¿Cuánto trabajo efectúa el gas en este proceso? c) ¿Sobre qué se efectúa ese trabajo? d) ¿Cuánto cambia la energía interna del gas? e) ¿Cuánto calor se suministró al gas? f) ¿Cuánto trabajo se habría efectuado si la presión hubiera sido 0.50 atm? 19.22. Un cilindro contiene 0.010 moles de helio a T = 27.0 °C. a) ¿Cuánto calor se requiere para elevar la temperatura a 67.0 °C manteniendo constante el volumen? Dibuje una gráfica pV para este proceso. b) Si, en vez del volumen, se mantiene constante la presión del helio, ¿cuánto calor se requiere para elevar la temperatura de 27.0 °C a 67.0 °C? Dibuje una gráfica pV para este proceso. c) ¿Qué explica la diferencia entre las respuestas a los incisos a) y b)? ¿En qué caso se requiere más calor? ¿Qué sucede con el calor adicional? d) Si el gas tiene comportamiento ideal, ¿cuánto cambia la energía interna en el inciso a)? ¿Y en el inciso b)? Compare las respuestas y explique cualquier diferencia. 19.33. Un gas monoatómico con comportamiento ideal que está a una presión de 1.5 x 105 Pa y ocupa un volumen de 0.08 m3 se comprime adiabáticamente a un volumen de 0.04 m3 . a) Calcule la presión final. b) ¿Cuánto trabajo efectúa el gas? c) Determine la razón temperatura final con temperatura inicial del gas. ¿Esta compresión calienta o enfría el gas? 19.34. El motor de un automóvil deportivo Ferrari F355 admite aire a 20.0 °C y 1.00 atm y lo comprime adiabáticamente a 0.090 veces el volumen original. El aire se puede tratar como gas ideal con = 1.40. a) Dibuje una gráfica pV para este proceso. b) Calcule la temperatura y presión finales. 19.35. Dos moles de monóxido de carbono (CO) están a una presión de 1.2 atm y ocupan un volumen de 30 litros. Después, el gas se comprime adiabáticamente a de ese volumen. Suponga que el gas tiene comportamiento ideal. ¿Cuánto cambia su energía interna? ¿La energía interna aumenta o disminuye? ¿La temperatura del gas aumenta o disminuye durante el proceso? Explique su respuesta. 2DA LEY 20.3. Motor de gasolina. Un motor de gasolina recibe 1.61 x 104 J de calor y produce 3700 J de trabajo por ciclo. El calor proviene de quemar gasolina que tiene un calor de combustión de 4.60 x 104 J/g. a) Calcule la eficiencia térmica. b) ¿Cuánto calor se desecha en cada ciclo? c) ¿Qué masa de gasolina se quema en cada ciclo? d) Si el motor opera a 60.0 ciclos/s, determine su salida de potencia en kilowatts y en hp. 20.4. Un motor de gasolina desarrolla una potencia de 180 kW (aproximadamente 241 hp). Su eficiencia térmica es del 28.0%. a) ¿Cuánto calor debe suministrarse al motor por segundo? b) ¿Cuánto calor desecha el motor cada segundo? 20.9. Un refrigerador tiene un coeficiente de rendimiento de 2.10. Durante cada ciclo, absorbe 3.40 x 104 J de la fuente fría. a) ¿Cuánta energía mecánica se requiere en cada ciclo para operar el refrigerador? b) Durante cada ciclo, ¿cuánto calor se desecha a la fuente caliente? 20.10. Un acondicionador de aire tiene un coeficiente de rendimiento de 2.9 en un día caluroso y utiliza 850 W de energía eléctrica. a) ¿Cuántos joules de calor elimina el sistema de aire acondicionado de la habitación en un minuto? b) ¿Cuántos joules de calor entrega el sistema de aire acondicionado al aire caliente del exterior en un minuto? c) Explique por qué sus respuestas a los incisos a) y b) son diferentes. 20.11. En un minuto, un acondicionador de aire de ventana absorbe 9.80 3 104 J de calor de la habitación enfriada y deposita 1.44 x 105 J de calor al aire exterior. a) Calcule el consumo de potencia de la unidad en watts. b) Calcule la calificación de eficiencia de energía de la unidad. 20.25. Un estudiante ocioso agrega calor a 0.350 kg de hielo a 0.0 °C hasta derretirlo todo. a) Calcule el cambio de entropía del agua. b) La fuente de calor es un cuerpo muy masivo que está a 25.0 °C. Calcule el cambio de entropía de ese cuerpo. c) Determine el cambio total de entropía del agua y la fuente de calor. 20.26. Usted decide tomar un reconfortante baño caliente, pero descubre que su desconsiderado compañero de cuarto consumió casi toda el agua caliente. Usted llena la tina con 270 kg de agua a 30.0 °C e intenta calentarla más vertiendo 5.00 kg de agua que alcanzó la ebullición en una estufa. a) ¿Se trata de un proceso reversible o irreversible? Utilice un razonamiento de física para explicar el hecho. b) Calcule la temperatura final del agua para el baño. c) Calcule el cambio neto de entropía del sistema (agua del baño 1 agua en ebullición), suponiendo que no hay intercambio de calor con el aire o con la tina misma. 20.29. Tres moles de gas ideal sufren una compresión isotérmica reversible a 20.0 °C, durante la cual se efectúa 1850 J de trabajo sobre el gas. Calcule el cambio de entropía del gas. 20.31. a) Calcule el cambio de entropía cuando 1.00 kg de agua a 100 °C se convierte en vapor a 100 °C. (Véase la tabla 17.4.) b) Compare su respuesta con el cambio de entropía cuando 1.00 kg de hielo se funde a 0 °C, calculado en el ejemplo 20.5 (sección 20.7). ¿El cambio de entropía es mayor para la fusión o para la vaporización? Interprete su respuesta con base en la idea de que la entropía es una medida de la aleatoriedad de un sistema 20.41. Usted construye una máquina térmica que utiliza 1.00 mol de un gas diatómico ideal en el ciclo mostrado en la figura 20.25. a) Demuestre que el segmento ab es una compresión isotérmica. b) ¿Durante cuál segmento (o segmentos) del ciclo el gas absorbe calor? ¿Durante cuál segmento (o segmentos) cede calor? ¿Cómo lo sabe? c) Calcule la temperatura en los puntos a, b y c. d) Calcule el calor neto intercambiado con los alrededores y el trabajo neto que realiza la máquina en un ciclo. e) Calcule la eficiencia térmica de la máquina. 20.43. Una máquina térmica opera empleando el ciclo de la figura 20.26. La sustancia de trabajo es 2.00 moles de helio gaseoso, que alcanza una temperatura máxima de 327 °C. Suponga que el helio se puede tratar como gas ideal. El proceso bc es isotérmico. La presión en los estados a y c es de 1.0 x 105 Pa, y en el estado b, de 3.0 x 105 Pa. a) ¿Cuánto calor entra en el gas y cuánto sale del gas en cada ciclo? b) ¿Cuánto trabajo efectúa la máquina en cada ciclo y qué eficiencia tiene? c) Compare la eficiencia de esta máquina con la máxima eficiencia que puede lograrse con las fuentes caliente y fría que se usan en este ciclo.
