PROBLEMAS DE FÍSICA II

Transcripción

1 PROBLEMAS DE FÍSICA II Curso Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio 1. TERMODINÁMICA 1

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3 PROBLEMA 1.1 Procesos e intercambio de energía Describir, para cada ciclo dibujado, los procesos que lo forman indicando los signos de los calores y trabajos intercambiados. Todos los diagramas son p-v y los procesos son los básicos conocidos recorridos por gases ideales (isotermos, adiabáticos, isobaros, isocoros), en los siguientes casos: 1) Si se realizan en sentido horario. ) Si se realizan en sentido antihorario. 3) En la figura a) indicar, de los dos posibles ciclos ABCEA y ABDEA, cuál es el de mayor rendimiento y en cuál es mayor el trabajo realizado por ciclo supuesto positivo. 3

4 1) a) AB W > 0 Q = 0 BC W < 0 Q > 0 CE W < 0 Q = 0 EA W > 0 Q < 0 b) AB W = 0 Q > 0 BC W < 0 Q > 0 CD W = 0 Q < 0 DA W > 0 Q < 0 c) AB W = 0 Q > 0 BC W < 0 Q = 0 CA W > 0 Q < 0 d) AB W > 0 Q = 0 BC W < 0 Q > 0 CD W < 0 Q = 0 DA W > 0 Q < 0 ) Todos los signos cambiados 3) ηabcea > ηabdea WABCEA < WABDEA 4

5 PROBLEMA 1. Identificación de procesos Se tiene un conjunto de sistemas formados por cámaras rellenas del mismo gas ideal realizando distintos procesos. Todas las paredes interiores de los sistemas son móviles, y las exteriores son fijas, excepto aquellas que reciben trabajo W y la pared derecha del recinto F. Inicialmente, el gas en todas las cámaras está en equilibrio a temperatura T0, presión p0 y volumen V0. En el exterior, la temperatura y presión son siempre constantes. Todos los procesos se realizan muy lentamente: las resistencias comunican un calor Q y sobre los émbolos (casos 4, 5 y 6) se realiza un trabajo W. En cada sistema, descríbase el proceso que realiza cada gas y dibújese en un diagrama p-v. 1) B adiabática, pa = pb, VA+VB = Cte ) TD = T0, pc = PD, VC+VD = Cte 3) TE = TF, pe = pf = p0, E F 4) TG = TH, pg = ph QG+H = 0 5) TJ = T0, pi = pj, I adiabática 6) K L adiabáticas, pk = pl 5

6 PROBLEMA 1.3 Primer principio Cuando un sistema evoluciona de A a B a lo largo del camino ACB (véase figura), la cantidad de calor que hay que suministrarle es QACB = 80 kj y el trabajo que realiza es WACB = -30 kj. Determínese: 1) La cantidad de calor que es necesario suministrar al sistema si evoluciona según el camino ADB, sabiendo que el trabajo realizado en ese caso vale WADB = -10 kj. ) La cantidad de calor intercambiado por el sistema, indicando si es absorbido o cedido, cuando vuelve a su estado inicial a lo largo del camino BIA, si el trabajo realizado sobre el sistema en ese caso es WBIA = 0 kj. 3) Si la energía interna en A y D es: UA = 0 J y UD = 88 J, hállese el calor absorbido en las transformaciones AD y DB. 1) QADB = QACB + WACB - WADB = J ) QBIA = - (QACB + WACB) - WBIA = J Calor cedido 3) QAD = (UD - UA) - WADB = J QDB = QADB + WADB - (UD - UA) = J 6

7 PROBLEMA 1.4 Ciclos Una máquina térmica cuya sustancia de trabajo son dos moles de He, supuesto ideal, realiza el ciclo abcda siguiente: ab) isobara a la presión pa = 7. atm siendo el volumen Va = 11. litros. bc) adiabática, siendo Vc =.4 litros. cd) isoterma a la temperatura tc = 68.5 ºC. da) adiabática. Dibuje un ciclo compatible con los datos numéricos anteriores e indique: 1) Valores de presión, temperatura y volumen en el estado d. ) El trabajo realizado por ciclo. 3) El rendimiento del ciclo (en %). 1) Td = K pd =.89 atm Vd = litros ) W = atm.l 3) η = 35 % PROBLEMA 1.5 Ciclo de Carnot Un ciclo de Carnot se realiza entre las isotermas TC = 400 K y TF = 300 K. Durante la expansión isotérmica se comunica al gas ideal el calor QC = 500 cal. Se pide calcular: 1) El trabajo efectuado durante la expansión isotérmica. ) El calor extraído del gas durante la compresión isotérmica. 3) El trabajo realizado por el gas durante la compresión isotérmica. 4) El rendimiento del ciclo. 1) W = - QC = -090 J ) QF = - QC (TF / TC) = J 3) W = - QF = J 4) η = 1 - (TF / TC) = 0.5 7

8 PROBLEMA 1.6 Cálculos de Entropía Un mol de un gas perfecto realiza el ciclo de forma reversible. De 1 a es comprimido isotérmicamente hasta que V = V1/7. De a 3 sufre una expansión adiabática, y de 3 a 1 una transformación isobárica. Se pide calcular la variación de entropía del gas en cada uno de los tres procesos anteriores. S1 = -7.4 J/K ; S3 = 0 ; S31 = 7.4 J/K PROBLEMA 1.7 Procesos Termodinámicos En el interior de un recipiente de volumen V0 y paredes adiabáticas, se tienen juntos una lámina adiabática y un émbolo no adiabático (véase AB en la figura) que pueden deslizar sin rozamiento por el interior del cilindro, sujetos inicialmente ambos por topes. Inicialmente, lámina y émbolo dividen al recipiente en dos recintos iguales (1) y (). En los dos recintos hay un mismo gas ideal monoatómico: n1 moles a temperatura T1 en el recinto (1), y n moles a temperatura T en el (). Se realizan los siguientes procesos: a) Se retira la lámina adiabática (no el émbolo) y los topes, y se espera a alcanzar el equilibrio. b) Mediante un mecanismo externo se desplaza muy lentamente el émbolo hasta que el volumen de (1) se reduce a la mitad de su valor inicial. Se pide: 1) Temperatura y presión del gas en el equilibrio final después del proceso a). ) Incremento de entropía de los dos recintos en el proceso a). 3) Trabajo realizado en el proceso b). 8

9 nt nt T n n a) p nrt nrt V1 V0; V V0 V0 n1n n1n n n b) 1 T ln ln V T V S nr S nr ln ln 1 T1 V0 / 1 T V0 / c) ( 1) n1 ( 1) n n1n n1n ( n n ) R nt n T 4n 4n W ( T T),, T 1 n1n n1n 3( n1n) PROBLEMA 1.8 Procesos Termodinámicos En el interior de un cilindro adiabático, de sección transversal A, se tiene un émbolo adiabático E que divide al cilindro en dos recintos. Uno contiene Ar y el otro igual número de moles de He. El émbolo E se halla a su vez unido por un muelle de constante k a otro émbolo adiabático E que hace las veces de pared del cilindro (véase figura). El recinto en cuyo interior está el muelle contiene Ar. La otra pared del cilindro FF es diatérmica y fija, y está en contacto con un baño térmico a temperatura T0. En el equilibrio inicial, el He y el Ar tienen valores iguales de presión p0 y volumen V0. Lentamente se desplaza el émbolo E hacia la derecha hasta que la presión del recinto de He se hace igual a p0. Hallar: a) Volumen final del recinto de Ar. b) Calor intercambiado por el sistema con el exterior. 9

10 a) V Ar tal que 0 0 b) QnRT0 ln,, n RT0 Ap V V V Ap k V 0 5/3 Ar 0 5/3 0 0 Ar A pv PROBLEMA 1.9 Procesos Termodinámicos Un recipiente de paredes adiabáticas contiene en su interior un litro de agua y un cilindro de paredes diatérmicas de L = 80 cm de longitud. Éste, a su vez, tiene en su interior un émbolo diatérmico móvil (véase figura) que inicialmente está sujeto mediante topes. En el estado inicial de equilibrio termodinámico hay un mol de He a la presión de phe0 = 5 atm y a la temperatura de the0 = 5ºC, y una cantidad desconocida de Ar a la presión de par0 = 1 atm. En un determinado momento se quitan los topes sin aporte de energía y se espera a alcanzar el equilibrio (Considérese la cv del agua constante y que, a diferencia de los gases, su proceso es reversible). Se pide: a) Temperatura final del agua. b) Longitud final del compartimiento de He, LHe. c) Variación de entropía de todo el sistema. a) tf = 5 ºC b) LHe = 60 cm c) S = 0.03 atm l/k 10

11 PROBLEMA 1.10 Procesos Termodinámicos Se tienen n moles de un gas ideal monoatómico en un depósito diatérmico cerrado por un émbolo E, de masa M y área A, sobre el que hay vacío, pero sobre el que se puede hacer trabajo mediante un mecanismo externo. Inicialmente, con el émbolo libre, hay equilibrio en contacto con un baño térmico a temperatura T1. A partir de ahí se realizan los siguientes procesos: a) Se deja un peso Mg encima del émbolo E y se espera a alcanzar el equilibrio, manteniendo el baño térmico. b) Se aísla adiabáticamente el depósito, y enganchando el mecanismo externo, se baja lentamente E hasta alcanzar la temperatura T3 = T1. (Durante este proceso se ha quitado el peso Mg). c) Se quita el aislamiento, se rodea el depósito de un baño térmico a temperatura T3 y se sube lentamente E hasta que la presión es la inicial. d) Se retira el mecanismo, se cambia el baño de temperatura T3 por el inicial de temperatura T1, y se espera a alcanzar el volumen del equilibrio inicial. Hallar el rendimiento del proceso global considerado como un ciclo. = 1 1/(ln) 11

12 PROBLEMA 1.11 Ciclo Un motor de gasolina se idealiza por el ciclo de Otto (Nicolaus Otto, , ingeniero alemán) mostrado en la figura. El tramo ab consiste en una compresión; el bc, en una explosión; el cd, en una expansión y el da es un escape (refrigeración de la mezcla). Se supone que en vez de admitir mezcla nueva fría, que trae energía interna química (combustión externa), circula siempre la misma mezcla, que intercambia calor con el exterior (combustión interna). Hallar el rendimiento para un gas ideal sabiendo que se conoce la relación entre volúmenes V/V1 y su coeficiente de Poisson. = 1 (V1/V) 1

13 PROBLEMA 1.1 Ciclo Un gas ideal monoatómico evoluciona cíclicamente como se indica en la figura en un ciclo presiónentalpía. La evolución 1- es adiabática y se conocen las relaciones entre volúmenes =V/V1 y energía internas =U3/USe pide: a) La relación entre los volúmenes V4/V3. b) El rendimiento del ciclo. a)v4/v3 = 1 / () b) (1 ) ( 1) ln( ) 13

14 EXAMEN n moles de un gas ideal de constante evolucionan según el ciclo reversible de la figura en el plano (T,V). Inicialmente su temperatura es T0 y ocupa un volumen inicial VA = V0 que aumenta mediante la expansión adiabática AB hasta VB = V0. La presión es constante a lo largo de BC y su temperatura aumenta en CA mientras se mantiene el volumen VC = V0 constante. En función de T0 se pide: 1. Las temperaturas en B y C.. La variación de la energía interna en BC y CA. 3. El valor absoluto del trabajo en BC y CA. 4. El valor absoluto de los calores intercambiados en BC y CA. 5. El rendimiento del ciclo. (1 ) 1. T T ; T T B 0 C 0 nrt nrt ; (1 ) UBC UCA 3. W nrt ; 0 0 W Q BC CA nrt nrt ; Q (1 ) BC CA

15 EXAMEN Se tienen n moles de un gas ideal monoatómico de constante adiabática = 5/3 que evolucionan según el ciclo reversible ABCDA mostrado en el diagrama (P,T) de la figura. En el estado A los valores de la temperatura y de la presión son TA = T0 y PA = P0. Entre A y B el gas evoluciona isobaricamente hasta alcanzar una temperatura TB = 3T0. Entre B y C la evolución es isotérmica. Entre C y D el gas evoluciona a volumen constante hasta alcanzar en D una presión PD = P0/k, siendo k una constante k 10. El ciclo se cierra con un proceso adiabático que lleva de D a A. Respecto de este ciclo, se pide: 1) La temperatura en D. ) La presión en C y el volumen en D (respecto del volumen VA en el estado A). 3) Los valores absolutos de los trabajos en los procesos AB y BC. 4) Los valores absolutos de los trabajos en los procesos CD y DA. 5) La variación de entalpía en el proceso AB. 6) Los calores intercambiados en los procesos BC y CD. 7) La variación de entalpía en el ciclo. 8) La variación de la entropía en el proceso AB. 9) La variación de la entropía en los procesos BC y CD. 10) El rendimiento de un motor de Carnot operando entre las temperaturas TA y TC. 15

16 /5 1) T k T D 0 ) 3) P 3 k P; V k V 3/5 3/5 C 0 D A W nrt W nrt k AB 3/5 0; BC 3 0ln( /3) 3 /5 4) WCD 0; WDA nrt0 (1 k ) 5) HAB 5nRT0 3/5 3 /5 6) QBC 3nRT0ln( k /3); QCD nrt0( k 3) 7) H ciclo 0 8) 9) 10) 5 SAB nrln(3) 5 SBC SCD nrln(1/ 3) 3 16

17 EXAMEN Se tiene un cilindro diatérmico en contacto con un baño térmico a temperatura T0. El cilindro se divide en dos recintos iguales (a y b) por un embolo diatérmico E1 de masa despreciable que puede deslizar sin rozamiento (ver figura). En cada recinto se tienen n moles de un gas ideal de coeficiente. La parte superior del cilindro se cierra mediante otro embolo E adiabático de masa m que también desliza sin rozamiento siendo la presión exterior despreciable. Inicialmente el sistema se encuentra en equilibrio mecánico y térmico. A continuación se realizan consecutivamente los dos procesos siguientes: i) Se fija E y se eleva cuasiestáticamente E1 hasta reducir el volumen inicial V0 del compartimento a hasta V0/. vacio m E a j) Se fija E1, se aísla adiabáticamente el cilindro y se libera E. El sistema evoluciona no estáticamente hasta alcanzar el T 0 b E 1 equilibrio. Determinar: 1) El calor Qi que recibe el sistema del baño térmico durante el proceso i. ) El incremento de entropía del gas contenido en el recinto b durante el proceso i, 3) La temperatura final del sistema en el proceso j, Tj. 4) El volumen total del sistema al finalizar el proceso j, Vj. b S i. 1) Qi nrt ln ) S a b nrln 3 3) T b 3 1 T 0 4) V j 1 1 V 0 17

18 EXAMEN En la figura se muestra un cilindro de paredes adiabáticas y sección transversal S. Una de las bases del cilindro es un émbolo móvil que se desplaza sin rozamiento sujeto a un muelle de constante elástica K y sometido a una presión exterior constante p0. Dentro del cilindro se encuentran n moles de un gas ideal de coeficiente. El gas tiene inicialmente una presión p0 y ocupa un volumen V0 tal como se indica en la figura. El muelle se encuentra inicialmente sin comprimir. Una resistencia calienta el interior del cilindro suministrando un calor Q al gas, de manera que al final del proceso se alcanza un equilibrio cuando el muelle se comprime una longitud. Considérese S =, V0 = 3 3, K = p0 y Q = 14p0 3. Se pide: 1) La presión final pf en el interior del cilindro. ) El trabajo W realizado sobre el gas. 3) El índice adiabático del gas. 4) El incremento de entalpía del gas. 5) El incremento de entropía S del gas. 1) p f 3p 0 3 ) W p 3) ) H 9 p0 1 0 nr ( 1) 5) S ln(4 / 3) ln 3 18