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)= 80 000 Kl/Kg C, y L_eulliión(gu)= 539 118 Kl/Kg C.
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$, lule el osto mensul de mntener l estuf enendid 5 hors por dí. B) Si se dese logrr el mismo efeto de lentmiento usndo un estuf elétri, que tiene un efiieni del 100%, lule ul deerí
ser su poteni. C) Clule el osto mensul de mntener l estuf elétri enendid 5 hors por dí. El osto del el kwh es de 0.05$. 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. 2 7. 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.
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.. 12. 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.
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
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 3. 2 21. 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
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.