ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL INSTITUTO DE CIENCIAS FÍSICAS II TÉRMINO

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1 ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL INSTITUTO DE CIENCIAS FÍSICAS II TÉRMINO Examen final de Física II Febrer 9 del 005 Nmbre: Paralel: ) En un mtr diesel, el aire está inicialmente a una presión de 0 5 Pa y una temperatura de 7 ºC. El aire experimenta el cicl de cambis relacinads abaj. Al terminar el cicl, el aire vuelve a sus cndicines iniciales. Una cmpresión adiabática a /0 de su vlumen riginal. Una breve expansión isbárica a /0 de su vlumen riginal. Una expansión adiabática vlviend a su vlumen riginal. Un enfriamient a vlumen cnstante. a. Utilizar ls ejes mstrads para dibujar, cn identificacines, el cicl de cambis que experimenta el gas. N se requieren cálculs. (4 PUNTOS) P ( 0 5 Pa) exp. isbárica exp. adiabática cmp. adiabática enfriam. a vlumen cte. V 0 /0 V 0 /0 V 0 V (cm ) b. Si la presión después de la cmpresión adiabática ha subid a Pa, calcule la nueva temperatura del gas. ( PUNTOS) PV T PV = T 5 ( 0 )( V0 ) (6.6 0 )( V = T 0 / 0) T = 990K = 77º C

2 c. En cuál de ls cuatr prcess: i) se efectúa trabaj sbre el gas? ( PUNTO) en la cmpresión adiabática ii) se efectúa trabaj pr el gas? ( PUNTO) en las expansines isbárica y adiabática iii) se prduce la ignición de la mezcla aire-cmbustible? ( PUNTO) en la expansión isbárica ) Ds mles de un gas mnatómic realizan un prces térmic en el que la presión es directamente prprcinal al cuadrad del vlumen (P = 00V ), cm se muestra en la figura. (C v =.5R; C p =.5R; R = 8.4 J/ml K) a. Determine la temperatura en ls punts A y B. (4 PUNTOS) PAV A (0. 0 )() TA = = = K nr ()(8.4) PBV B (5 0 )(5) TB = = = 50K nr ()(8.4)

3 b. Cuál es el trabaj, el cambi de energía interna y la cantidad de calr suministrada durante este prces? (6 PUNTOS) W V f = PdV = 00V V 5 dv = 00 V 5 = 870J U = nc T V = ()(.5)(8.4)(50 ) = 700J Q = U + W = 45500J ) En principi, un frigrífic es un cicl de mtr térmic que funcina al revés, cn energía tmada del frigrífic y descargada al entrn. En este frigrífic, en cnjunt hay un fluj de energía desde una región fría a una región más caliente en cada cicl. Explique pr qué el frigrífic n vila la segunda ley de la termdinámica. (4 PUNTOS) La segunda ley de la termdinámica indica que el fluj de energía nunca pasará espntáneamente de un bjet frí a un caliente. Para que el refrigeradr lgre funcinar es necesari efectuar un trabaj sbre él, y pr l general este trabaj es realizad pr un mtr cmpresr, l que está de acuerd cn la segunda ley.

4 4) Un cilindr infinitamente larg de radi a lleva una carga unifrme pr unidad de vlumen 0 ( 0 > 0) y está rdead pr un cnductr cnectad a tierra de radi b, caxial al cilindr, cm se muestra en la figura. Mediante la utilización de superficies gaussianas aprpiadas, determine el camp eléctric para a. r a (5 PUNTOS) en tds ls cass, una superficie gaussiana cilíndrica de lngitud sería aprpiada para determinar el camp eléctric, ya que debid a la simetría invlucrada el camp debe tener dirección radial. Qn E ds = V EdS = E = r E = r r πr l Eπrl = b. a r b (5 PUNTOS) Qn E ds = V EdS = a E = r a E = r r πa l Eπrl = c. r b (4 PUNTOS) la carga en la superficie exterir del cnductr es cer prque está cnectad a tierra. En la superficie interir del mism se induce una carga y pr l tant la carga neta dentr de una superficie gaussiana de radi mayr que b es cer, pr l que en esta región n existe camp eléctric (E = 0).

5 5) Una radi prtátil necesita una diferencia de ptencial de V para funcinar. La única fuente de alimentación dispnible es de 0 V. Para hacer funcinar la radi cn dicha fuente, usted añade una resistencia en serie, R, cm se muestra en el circuit siguiente: a. La radi está diseñada para extraer una crriente de 0.4 A a V. La resistencia interna de la fuente de 0 V es despreciable. Calcule el valr de la resistencia, R, que necesita la radi para perar nrmalmente, cuand se cnecta de la frma indicada anterirmente. (4 PUNTOS) Para que la radi pueda funcinar es necesari que entre ls extrems de R se establezca una diferencia de ptencial de 8 V (segunda ley de Kirchhff) y pr estar cnectada en serie cn la radi debe fluir sbre ella la misma crriente. Aplicand la ley de Ohm: V = RI R = V / I R = 8V R = 0Ω / 0.4 A b. Se dispne de tres resistencias cn valres de ptencia máxima W, 5 W y 0 W, respectivamente. Explique cuál de esas resistencias usted debe escger para este circuit. (4 PUNTOS) P = RI = (0Ω)(0.4A) P =.W ya que la ptencia que va a cnsumir esta resistencia es de. W se debe escger una que tenga una ptencia máxima superir a este valr, pr l que la de 5 W la de 0 W serían adecuadas. c. Explique que sucedería si eligiera una resistencia cn un valr de ptencia más pequeñ que el requerid. (4 PUNTOS) El efect Jule ns indica que en el mment de circular una crriente a través de un resistr se prduce calr. Si la ptencia máxima de un resistr es menr que la ptencia que va cnsumir, éste se fundiría pr el exces de calr.

6 6) En el circuit de la figura se tiene V ab = 0. Calcular la ptencia cnsumida en R. (8 PUNTOS) La diferencia de ptencial entre ls extrems del resistr de 5 Ω debe ser 0 V para que V ab = 0, pr l tant I = 0/5 = A. Ya que I = A, la diferencia de ptencial entre ls extrems de la resistencia de 4 Ω debe ser 8 V y para que V ab = 0, la diferencia de ptencial entre ls extrems de R también debe ser 8 V. Para que V ab = 0, la diferencia de ptencial entre ls extrems de la resistencia de Ω debe ser 0 V y pr l tant I = 0/ = 5 A. Pr la primera ley de Kirchhff, I R = I I = A. P = VI = (8 V)( A) P = 4 W 7) Un hrn autlimpiadr tiene bbinas de calentamient cuy cnsum ttal de ptencia es 6.0 kw. El hrn se cnecta a una fuente de vltaje de 40 V. a. Cuál es la crriente ttal que fluye en la unidad durante la autlimpieza? ( PUNTOS) P = VI I = 6.0kW / 40V I = 5A b. Si la autlimpieza implica el funcinamient cntinu de esas bbinas durante.5 h, cuál es el cst de limpieza en un lugar dnde la tarifa eléctrica es de $0.5/kWh? ( PUNTOS) $0.5 Ε = P t = (6.0kW )(.5h) = 5kWh valr = 5kWh kwh valr = $.75

7 8) Para el siguiente cnjunt de capacitres, determine: a. la capacitancia equivalente entre X y Y. (4 PUNTOS) b. la diferencia de ptencial entre las placas del capacitr de 4 µf cnectad entre A y B. (4 PUNTOS) C eq = µf V = Q/C = 0 µc/6 µf V = 0 V