FISICA I

Prctica Dirigida N 03

Termodinmica Ley cero de la termodinmica Si dos sistemas fsicos estn en equilibrio con un tercer sistema, ellos estn en equilibrio trmico entre s. Primera Ley de la Termodinmica En un proceso determinado, el calor entregado a un sistema es igual al trabajo que realiza el gas mas la variacin de su energa interna. WUQ +=

Q = Calor entregado al sistema del estado 1 al estado 2 U = Variacin de la energa interna del estado 1 al estado 2 W = Trabajo realizado por el sistema del estado 1 al estado 2 La primera ley de la termodinmica es solo una expresin cuantitativa del principio de la conservacin de la energa. En palabras esta expresa que el cambio de energa total de un sistema cerrado es igual al calor transferido al sistema menos el trabajo realizado por el sistema. Regla de signos

a) Para el trabajo: se considera positivo el trabajo si es realizado por el sistema: W(+). El trabajo es considerado negativo si se realiza sobre el sistema por un agente externo. W(-).

b) Para el Calor: Se considera positivo el calor cuando del medio exterior es transferido calor al sistema Q(+). Se considera negativo el calor cuando el sistema transfiere calor al exterior Q(-).

CALORES ESPECIFICOS PARA GASES En los gases del valor del calor especifico depende de cmo se calienta el gas: a presin constante, a volumen constante o haciendo variar ambos parmetros.

a) Calor especfico a presin constante (CP): es el cociente de la cantidad de calor entregado a un gas, manteniendo constante su presin, entre el producto de su masa por variacin de temperatura.

CP =Q / (m T)

b) Calor especifico a volumen constante (CV): es el cociente de la cantidad de calor entregado a un gas, a volumen constante, entre el producto de su masa por la variacin de temperatura: CV =Q / (m T)

Observacin: El calor especfico de un gas que se calienta presin constante es mayor que el de un gas calentado a volumen constante y la relacin existente entre ambos es la siguiente: CP CV = Ru / M R u = constante universal de los gases (R u = 1,99 cal/mol.K = 0,082 atm lt / mol K = 8,315 J / mol .K M = Peso molecular del gas Ecuacin Universal de los gases ideales PV = nRu T

n = numero de moles R u = constante universal de los gases.

Presion: 1 Pa = 9,265 . 10-6 Atm 1 Atm = 1,013 . 105 Pa Problemas propuestos 1.- A un gas ideal se le transfiere 100 J en forma de calor, al expandirse realiza un trabajo de 65 J y su energa interna varia en 20 J, determine la cantidad de calor liberado en este proceso. 2.- Una maquina trmica que realiza 10 ciclos por segundo tiene una produccin de 480 J con un rendimiento del 30% entonces el calor que se cede en cada ciclo es: 3.- Un gas que se encuentra dentro de un recipiente, al ser calentado realiza un trabajo de 1000 J. si la cantidad de calor entregado al sistema es de 720 caloras y su energa interna inicial es de 900 J. Determine la energa interna final. 4.- En la vaporizacin de 1 g de agua a 100 C se realiza un trabajo de 400 caloras. Determine el cambio producido en la energa interna. 5.- Una lmpara que consume 54 W es sumergida en un calormetro transparente que contiene 650 cm3 de agua. Si durante 3 minutos el agua se calienta en 3,4 C. Determine qu porcentaje de la energa consumida por la lmpara se emite por el calormetro en forma de energa radiante.

6.- El conductor de un montacargas de 3 toneladas de masa que va cuesta abajo por una montaa ve un ro en el fondo por el cual debe detenerse. Su rapidez en el momento de aplicar los frenos era de 15 m/s y esta verticalmente a 20 metros por encima del fondo de la montaa. Cunta energa en forma de calor debe disipar los frenos si se desprecian los efectos del viento y otros efectos de rozamiento? 7.- (a) Dos gramos de nitrgeno a 27 C ocupan un volumen de 2 litros Cual es la presin? (b) Si la presin se duplica y la temperatura se eleva hasta 127 C, calcule su volumen final. 8.- Si 3 m3 de un gas, en condiciones normales, se somete a una presin de 4 atm y la temperatura se eleva a 38 C Cul ser el nuevo volumen del gas? 9.- Calcule la densidad del oxigeno a condiciones normales, mediante la ley del gas ideal. 10.- Un tanque de almacenamiento contiene 32.7 kg de nitrgeno gaseoso a una presin absoluta de 3.8 atm. Cul ser la presin si el nitrgeno se substituye por una masa igual de CO 2? 11.- Un tanque de almacenamiento a TPN contiene 25 kg de nitrgeno gaseoso. (a) Cul es su volumen? (b) Cul ser la presin si se le aaden 15 kg mas de nitrgeno?

12.- Si 25.5 moles de helio gaseoso se encuentran a 10 C y a una presin manomtrica de 0.35 atm, calcule (a) el volumen del helio gaseoso bajo estas condiciones y (b) la temperatura, si el gas se comprime a la mitad del volumen, a una presin manomtrica de 1 atm. 13.- Cul es la presin dentro de un recipiente de 50 lt que tiene 105 kg de argn gaseoso a 20 C 14.- Se llena un neumtico de aire a 15 C hasta una presin manomtrica de 220 kPa. El neumtico alcanza una temperatura de 38 C. Qu fraccin del aire original se debe sacar para que se mantenga la presin original de 220 kPa? 15- Si 70 lt de oxigeno a 18 C y a una presin absoluta de 2,1 atm se comprimen hasta obtener 48.8 lt y, al mismo tiempo, la temperatura se eleva a 50 C. Cul ser la nueva presin? 16.- Compare el valor de la densidad del vapor de agua a 100 C y 1 atm de presin (0,598 10-3 gr/cm3) con el valor que predice la ley del gas ideal. Por qu se espera una diferencia? 17.- Un globo de feria inflado con helio se escapa al nivel del mar donde la temperatura es de 20 C. Cuando llega a una altura de 3000 metros, donde la temperatura es de 5 C y la presin es de 0,7 atm Cmo es su volumen en comparacin con el que tena en el nivel del mar? 18.- Una burbuja de aire en el fondo de un lago de 32 m de profundidad tiene un volumen de 1 cm3. Si la temperatura en el fondo del lago es de 5,5 C y en la superficie de 21 C. Cul ser el volumen de la burbuja en el momento de llegar a la superficie?

Aplicacin de la Termodinmica. Gases ideales

Ley de Boyle Mariotte Proceso isotrmico temperatura constante

Ley de Gay Lussac Proceso iscoro volumen constante

Ley de Charles Proceso isobrico presin constante Algunas conversiones tiles

1 bar = 105 Pa 1 atm = 1,01 105 Pa 1 mm de Hg = 1,33 102 Pa 1 torr = 1,33 102 Pa 1 Lb/pulg2 [PSI] = 6,89 103 Pa

Problemas propuestos 1.- Se puede utilizar sus msculos abdominales y pectorales para reducir el volumen de los pulmones en 20 %, Qu presin es posible establecer exclusivamente mediante este mtodo? 2.- En un cilindro con un rea de seccin transversal de 10 cm2 se ajusta hermticamente un embolo mvil. Se introduce aire dentro del cilindro a presin atmosfrica y a una temperatura de 20 C. La temperatura se mantiene constante cuando el volumen se comprime hasta la mitad de su valor inicial qu fuerza debe aplicarse al embolo para mantenerlo en su nueva posicin? 3.- Un cilindro de una bomba de bicicleta tiene un dimetro interior de 2 cm y una longitud igual a 25 cm. Se usa para meter aire en una llanta cuya presin ya es de 240 kPa. Qu distancia necesita empujarse el embolo antes de que el aire empiece a fluir al interior de la llanta? 4.- Una burbuja esfrica se eleva desde el fondo de un lago. Si la temperatura en el lago es uniforme y la burbuja duplica su volumen en el tiempo en el que llega a la superficie, Cul es la profundidad? 5.- Un cilindro de motor de un automvil con un volumen de 400 cm3 se comprime hasta un volumen de 100 cm3 a temperatura constante. Si la presin inicial del gas es 1 atm Cul es la presin final? 6.- Una muestra de 1 L de un gas ideal a temperatura ambiente (23C) se saca al exterior de un da fro (6 C) dentro de un recipiente a presin constante Cul es el nuevo volumen? 7.- Un tubo de vidrio de 1 m de largo se sella en un extremo. Una gota de mercurio lo suficientemente grande para cerrar el tubo se ubica en el punto medio cuando la temperatura es igual a 0 C. Donde se encontrar el mercurio cuando el extremo cerrado del tubo se sumerja en agua hirviendo? 8.- Deseamos duplicar el volumen de un gas que se mantiene a presin constante. Hasta qu temperatura debe calentarse? si su temperatura original era

(a) 0 C (b) 100 C (c) 1000 C 9.- (a) En que fraccin de su volumen inicial el volumen de un gas disminuye a presin constante si la temperatura se reduce de 100 C a 0 C? (b) Cul ser el cambio fraccionario si la temperatura se reduce desde 0 C hasta 100 C? 10.- A cierta temperatura desconocida, una columna de aire seco se asla hermticamente de la atmsfera cerrando un extremo de un tubo de aire y colocando una gota de mercurio dentro de l a 0.5 m del extremo que se cerr. El tubo se puso despus en un congelador, donde se saba que la temperatura era igual a 10 C. Despus de que el tubo alcanza la temperatura del congelador, la gota de mercurio se encontraba a 42 cm del extremo cerrado. Cul es la temperatura original?

Los profesores del curso

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