Problemas de Termodinámica - Ejemplo Parciales y Finales

Transcripción

1 Prolems de Termodinámi - Ejemplo Priles y Finles 1. Desri en vrios proesos, (de ejemplo espeífios y desri sus rterístis físis), que oedezn l primer ley de l termodinámi, pero que, si suediern en relidd, violrn l segund ley. 2. Un ms de 5 kg está td un extremo de un lmre de frdo (Fe) de 2 mm de diámetro y 1 m de lrgo. El otro extremo del lmre est unido un eje que he girr l piedr en un írulo horizontl. )Cuál será l máxim veloidd ngulr (ω) l que se puede her girr l piedr sin que el lmre se romp. ) si se dese trjr on un límite de seguridd de 2, ul es l veloidd máxim de giro? C) en estás ondiiones unto se estir el lmre? D) si el lmre finlmente se ort, ul será l tryetori de l piedr? ( σ f (Fe)= 180 MP Y(Fe)=E=150 Gp) A B D= Ningun de ls indids R C ω 3. Un gloo erostátio de 5 m de diámetro pes 10 kg y llev un rg de 80 kg. A) Pr que el gloo se eleve se dee de lentr o enfrir el gs, explique por qué. B) Si el ire en el gloo est 20ºC, que tempertur se empezrá e elevr? C) Un veino suyo rgument que lentndo no se he un gloo erostátio. Pr que se eleve l úni posiilidd es llenrlo de He. es orreto el rgumento de su veino?. 4. Un oll de ore y ero inoxidle, de 3 mm de espesor (ompuest de 1 m de Cu (exterior) y 2 mm de Aero (interior)). El diámetro de su se d=30 m se enuentr poydo sore un fuente de lor T f. L oll ontiene 1 L de gu originlmente l tempertur de 100ºC. ) A qué tempertur Tf dee estr l fuente, pr que tod el gu se evpore en 10 minutos? El lor ltente vporizión del gu es Lv= 540 l/g y l ondutividd del Cu es K u =401 J/m-s-ºC y l de ero inoxidle K_ero= 40 J/m-s-ºC. (Lv(gu)= 2,257,200J/Kg) ) Cuál será l vriión de entropí del gu en este proeso? 5. Un reipiente errdo de ore, uy ms es de 1.0 kg, ontiene 2 kg de gu 0 C. En el mismo se inyetn 0.3 kg de vpor de gu 100 C. ) Determine l tempertur finl de l mezl ) en que estdo se enuentr l mezl (por, Liq. Sólido). (u)=94.6 kl/kg C, (gu)= 1 Kl/kg C, C, (Hielo)= 499 Kl/kg C, L_fusión(hielo)= Kl/Kg C, y L_eulliión(gu)= Kl/Kg C.

2 6. 40 litros de Ar, M=38, tiene un volumen 0 =50L, presión P 0 =1 At, reliz un ilo omo el desrito en l figur 1, omenzndo en el punto y suponiendo que l isoterm que ps por tmién ps por. Nótese que el sistem de sigue l tryetori ret indid en l figur.. P Isotérmio P 0 = Estdo Iniil 0 Figur 1 4 ) Determine el numero de moles del gs: ) Clulr l Tempertur T 0 en el estdo iniil (). ) Clulr l Tempertur T en el estdo (), suponiendo que P =3 P 0. d) Construy un tl ls presiones, volúmenes y temperturs en d punto, y. P [At] [l] T[k] e) Clulr U, W, Q y S pr d uno de los proesos indidos. U [J] W [J] Q [J] S [J/k] Cilo f) Clulr U, W, Q y S pr todo el ilo g) Clulr l efiieni de l mquin que oper on este ilo y ompr on l efiieni de un mquin de Crnot que oper entre ls misms temperturs extrems. ) Efiieni del Cilo rel % = Efiieni del Cilo de Crnot %= 4.- Un estuf gs de tiro lnedo de 4000 kl/h tiene un rendimiento del 75% (el 25% del lor sle l exterior). A)Si el poder lorífio del gs es de 8200 kl/m 3 y el m 3 de gs uest 0.15$, lule el osto mensul de mntener l estuf enendid 5 hors por dí. B) Si se dese logrr el mismo efeto de lentmiento usndo un estuf elétri, que tiene un efiieni del 100%, lule ul deerí

3 ser su poteni. C) Clule el osto mensul de mntener l estuf elétri enendid 5 hors por dí. El osto del el kwh es de 0.05$. 5.- Con freueni se llm "fleh del tiempo" l entropí, porque nos die en que direión sueden 1os proesos nturles. Cite lgunos proesos que podrí verse en un pelíul proyetd l revés, que indirín que el tiempo está "orriendo hi trás".(serie 3) P d Fig En el proeso de llevr un gs del estdo l estdo lo lrgo de l tryetori urv de l figur 2, slen del sistem 80 J de lor, y se efetún 55 J de trjo sore el sistem. Cundo un gs ps de lo lrgo de l tryetori urv de l figur 1, efetú un trjo W = -35 J y el lor que se le greg es Q = -63 J. A lo lrgo de l tryetori, el trjo efetudo es W = -48 J.. Cuánto vle Q Pr l tryetori?. Si P= 0.5 P, ul es W pr l tryetori d?. Cuánto vle é Pr l tryetori d? d. Cuánto vle U-U? e) Si Ud - U = 5 J, unto vle Q pr l tryetori d? (Serie 3) 8. Clule el mio de energí intern, U - U.. Cundo el gs sigue l tryetori d, efetú un trjo W = 38 J. Cuánto lor Q se greg l gs en el proeso d?. Si P = 2.5 Pd, unto trjo efetú el gs en el proeso?. Cunto vle Q pr l tryetori? (e) Si U U = - 10 J, unto vle Q pr el proeso? Aquí tenemos un resumen de lo que se h ddo: Q =-80J U U= -10J W = -55 J P = 2.5Pd Wd=38J. 9. Supong que un gs sigue el ilo retngulr que se muestr en l figur 2, en el sentido de ls mneills del reloj, inii en, luego se desplz hi, de hí d, después y finlmente. Utilizndo los vlores ddos en el prolem 6, lule (Serie 3). el trjo neto relizdo,. el flujo mito de lor y. el mio totl de energí intern. ( U) Qué porentje del lor tomdo iniilmente se onvirtió en trjo útil?, es deir, qué tn efiiente es este ilo "retngulr"? Expréselo omo porentje.

4 10. Supong que junt un grn ntidd de ppeles espridos por el piso, y que los olo en un pil uniforme. iol esto l segund ley de l termodinámi? Explique l respuest. 11. A. vees se enuni l primer- ley de l termodinámi, en form eufemist, de l siguiente mner: "Nd se otiene grtis". Y l segund ley: "nun se puede slir mno Explique porqué estos enunidos son equivlentes los enunidos formles Cite tres ejemplos de proesos nturles que demuestren l degrdión de l energí útil en energí intern. 13. Un s de 10m x 10m y 2.5.m de ltur, est onstruid de ldrillo de 30m de espesor. Tiene 6 erturs de vidrio de 3mm de espesor y superfiie es de 1 m 2 d un. Si se dese que l tempertur de l s se de 20ºC (en el interior) undo l tempertur exterior se de -10ºC. ) Estime l poteni de l estuf en KW y Kl/s que se neesitrá pr logrr est tempertur, suponiendo que ls perdids de lor sólo tiene lugr en ls erturs. ) Cuál será l poteni de l estuf si se tiene en uent ls perdids que tmién ourren en ls predes? ) Cómo se omprn ls perdids de l ertur on ls de l pred?. k_vidrio. k_ldrillo=0.84 J/s.m.ºC. d) uál será el osto de mntener est tempertur on un estuf elétri, si el KWh uest 0.036$?. e) uál será el osto de mntener est tempertur on un estuf gs nturl, si el m 3 uest 0.15$ y tiene un poder lorífio de 9300 kl/m 3?. 14. Enunie l ley de estdo de los gses ideles.. Explique l difereni entre un gs y un vpor.. Explique ómo es que l teorí inéti de los gses, expli l ley de estdo de los gses ideles. Indique lrmente ls hipótesis ásis de l Teorí Cinéti de los gses. Se pli est teorí los vpores? d. Presente revemente, sin exeder un rill l demostrión de l teorí inéti, destndo sore todo lr ides físi suyentes. 15. Enunie revemente l 1r y 2d Ley de l termodinámi ) Desri l menos dos experimentos de físi que demuestren l eseni de d un de ests leyes. Explique donde entrn d un de ests leyes en l expliión de dihos fenómenos. ) Por qué es neesrio l 2d ley de l termodinámi? Enunie l menos dos fenómenos físios que según l 1r Ley serín posiles pero que no ourren. En prtiulr explique porque fluye lor de un uerpo liente otro frío y no l revés.

5 16. Dos moles de un gs idel se omprimen l mitd de su volumen iniil, siguiendo el proeso ilustrdo el l figur 2. Si P 1 =4 At, P 2 =2 At y T =400K,. Cunto vle, y T.. Cunto trjo se reliz sore el sistem. Si después del punto, el sistem experiment un expnsión diáti hst lnzr su volumen originl, y prtir de llí, el gs se lient isoórimente hst su presión iniil. Cuánto vle l tempertur T? d. Clule el trjo en d trmo del ilo y el trjo totl. e. Cunto lor se sore o se d sede l medio en d trmo del ilo? f. Cuál es l efiieni de est máquin térmi y omo se ompr on un mquin de Crnot que opere entre ls misms temperturs máxims y mínims? g. Clule el mio de entropí en d trmo y el mio de entropí en todo el ilo, Los proesos desriptos en este ilo son reversiles o no?, justifique su respuest. P P 1 P 2 P 3 1 Figur 2. 2

6 17. Un mol de un gs idel ps trvés del ilo indido en l figur 3. P 1 =2 At, P 2 =1At, T 1 =200K y T 2 =400K.. Cuánto vlen 1 y 2?. Cuál es el vlor de T 3?. Clule el trjo relizdo en d trmo de este ilo d. Clule el lor sorido o entregdo l medio en d trmo e. Cuál es l efiieni de est máquin térmi y omo se ompr on un mquin de Crnot que opere entre ls misms temperturs máxims y mínim? f. Clule el mio de entropí en d trmo y el mio de entropí en todo el ilo, Los proesos desriptos en este ilo son reversile o no?, justifique su respuest. 18. ) Tiene lgún sentido hlr del lor espeifio pr un mio de fse? Justifique su respuest. ) Cunto lor se requiere pr onvertir 1 Kg de hielo 10ºC en vpor de gu 100ºC. 19. (*)El uerpo humno gener lor rzón de unos 60 Kl/h.. Cunt gu deerí evporr en un hor pr eliminr todo este lor?. Si el 20% de est energí (60 Kl/h) se us en funiones orporles (omeo de sngre, digestión, et.) y 10% se pierde por diversos menismos, Cunt gu se deerí evporr pr disipr el resto de l energí produid? (H vp (gu)=540 Kl/Kg) 20. Un l de P de 30 g, ho ontr un pl de ero; se funde y slpi en el impto. Alguns de estos proesos se filmron. Suponiendo que l l reie el 80% de l energí de l olisión, Clule l veloidd iniil de l l. Supong que tnto l pl de ero omo l l estn tempertur miente (20ºC) ntes de l olisión. (T fus (P)=348 ºC y H fus (P)=0.25 x10 5 J/Kg). P P 1 T 1 T 3 P 2 d T 2 1 Figur Un neumátio de utomóvil se infl on ire 15ºC hst un presión mnométri de 220 Kp (31.9 l/pulg^2, reuerde que l presión mnométri es l presión reltiv l tmosféri de P t =101.3 Kp).El neumátio lnz

7 l tempertur de 45ºC, Qué frión del ire originl se dee de retirr del neumátio pr que l presión del mismo vuelv l vlor originl de 220 Kp?. 22. Un vso de Core de 3 mm de espesor y diámetro de su se d=20 m se enuentr poydo sore un fuente de lor T f =300ºC. El vso ontiene 1/2 L de gu originlmente l tempertur de 100ºC. ) Cunto tiempo trdrá el gu en evporrse totlmente del vso si el lor ltente vporizión del gu es Lv= 540 l/g y l ondutividd del Cu es K u =401 J/m-s-ºC.