PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA. I. Trabajo. A. Escribe la definición de trabajo hecho sobre un objeto por un agente que ejerce una fuerza sobre dicho objeto. (Puedes consultar tu libro de texto si lo deseas). En los espacios provistos, dibuja flechas representando (1) una fuerza ejercida sobre un objeto y (2) el desplazamiento de este objeto, para los casos donde el trabajo hecho por el agente es: Positivo Negativo Cero En cada caso, tus bosquejos representan las únicas direcciones relativas posibles de los vectores fuerza y desplazamiento? Si es así, explica. Si no, bosqueja otro grupo posible de vectores. B. Un bloque es empujado por una mano de tal manera que se mueve desde la parte inferior hasta la parte superior de un plano inclinado sin fricción. El bloque aumenta su rapidez a razón constante. 1. En el espacio provisto, dibuja un diagrama de cuerpo libre para el bloque. Coloca una etiqueta a cada fuerza indicando: el tipo de fuerza, el objeto donde la fuerza es ejercida, y el objeto ejerciendo la fuerza. 2. En el espacio provisto, traza una flecha para mostrar la dirección de la fuerza neta sobre el bloque. Diagrama de cuerpo libre del bloque 3. Determine cuándo las siguientes cantidades son positiva, negativa, o cero. En cada caso explique su razonamiento. el trabajo hecho por la mano sobre el bloque el trabajo hecho por la tierra sobre el bloque el trabajo hecho por el plano inclinado sobre el bloque. 4. Existe trabajo hecho por el bloque sobre la mano en este movimiento? Si es así, es el trabajo positivo, negativo, o cero? Fuerza neta sobre el bloque
Primera ley de la termodinámica. 5. El teorema trabajo-energía cinética determina que el cambio de energía cinética de un cuerpo rígido es igual al trabajo neto hecho sobre el cuerpo. Explica cómo sus respuestas a la parte 3 son consistentes con este teorema. (Sugerencia: El trabajo neto es la suma de los trabajos hechos por todas las fuerzas ejercidas sobre un objeto.) 6. Cuál(es), en cualquiera de sus respuestas en la parte 3, podrían ser diferentes si el bloque fuera empujado hacia arriba del plano inclinado pero con rapidez constante? Describe el trabajo neto hecho sobre el bloque en este caso. C. Un gas ideal es contenido en un cilindro que está fijo en su lugar. El cilindro es cerrado por un pistón como se muestra en el diagrama de la derecha. No hay fricción entre el pistón y las paredes del cilindro. 1. Describe la dirección de la fuerza que el pistón ejerce sobre el gas. Tu respuesta anterior depende de hacia dónde se mueve el pistón? 2. Cómo puede el pistón moverse para que el trabajo hecho sobre el gas sea: positivo? Negativo? Sus respuestas dependen de su elección de un sistema de coordenadas? 3. En cada uno de los dos casos de la parte 2, hay trabajo hecho sobre el pistón por el gas? Si es así, cómo se relaciona ese trabajo con el trabajo hecho sobre el gas por el pistón? (Considere ambos signos y el valor absoluto) Revise sus respuestas con un instructor del tutorial antes de continuar. II. Trabajo y energía interna A. Imagine que el cilindro de la sección I está térmicamente aislado de su alrededor al colocarlo en un compartimiento aislado. El pistón es presionado hacia adentro a la posición mostrada a la derecha. Nos referiremos a esta compresión como proceso I. Cilindro aislado El trabajo hecho sobre el gas por el pistón es positivo, negativo o cero?
En física térmica, frecuentemente nos interesa la energía interna (E int ) del sistema. La energía interna de un gas ideal es proporcional a la temperatura y el número de moles del gas. La energía interna puede cambiar cuando hay intercambio de energía con el ambiente del sistema (ej. Objetos que están fuera del sistema de interés). El caso antes mencionado es uno en el cuál la energía interna del gas cambia debido al trabajo realizado sobre el gas (el sistema) por el pistón (un agente externo al sistema). Cuando un sistema así está aislado, el cambio en la energía interna del sistema es igual al trabajo neto hecho en él: E int (para un sistema térmicamente aislado) W sobre el sitema B. 1. La energía interna de un gas en un cilindro aislado aumenta, disminuye o permanece igual cuando el pistón se empuja hacia adentro? Explique 2. Cambia la temperatura del gas? Explique C. Dos estudiantes están discutiendo el proceso 1: Estudiante 1: El volumen del gas disminuye, pero la presión aumenta. Por lo tanto, de la ley de gases ideales, la temperatura debe permanecer igual. Estudiante 2: Pero sé que la temperatura aumenta. El volumen es menor, y por tanto las partículas colisionan más frecuentemente entre ellos. Ningún estudiante está correcto. Encuentre las fallas en el razonamiento de cada estudiante. Revisa cada razonamiento con un instructor tutorial antes de continuar. III. Calor A. Imagina que el cilindro de la sección II ya no está aislado, y que el pistón está asegurado en su lugar. Este gas está inicialmente a temperatura ambiente. El cilindro se coloca en agua hirviendo y alcanza el equilibrio térmico con el agua. Nos referiremos a este proceso como proceso 2. 1. En el proceso 2, indique si las siguientes cantidades aumentan, disminuyen o se mantienen igual. Explique La temperatura del gas La energía interna del gas La presión del gas El volumen del gas
2. Bosqueje el proceso 2 en el diagrama PV de la derecha. 3. Hay algún trabajo realizado sobre el gas en el proceso 2? Es su respuesta consistente con su diagrama PV? P V La transferencia de energía que tiene lugar en el proceso es llamada transferencia de calor. En este proceso, si el calor transferido al gas (Q) es mayor a cero, la energía interna del gas aumentará. B. En el proceso 2, la transferencia de calor al gas es positiva, negativa o cero? C. En el proceso 2, la transferencia de calor al agua hirviendo es positiva, negativa o cero? Explique IV. Calor, trabajo y energía interna. La primera ley de la termodinámica dice que el cambio en la energía interna de un sistema cerrado es igual a la suma del trabajo neto hecho sobre el sistema y el calor transferido al sistema: Q E int W sobre el A. Explique cómo escribiría esta ley en términos del trabajo realizado por el sistema en su ambiente. sitema Cómo expresa su libro de texto la primera ley de la termodinámica? B. En el proceso 1 (sección II) no necesitó considerar la transferencia de calor. Qué característica del experimento impidió la transferencia de calor al gas? C. En el proceso 2 (sección III) no necesitó considerar el trabajo. Qué característica del experimento impidió que se hiciera trabajo sobre el gas? Revise su razonamiento con un instructor del tutorial antes de continuar.
Primera ley de la termodinámica. D. El cilindro, con el pistón aún fijo en su lugar, es ahora sumergido en una mezcla de hielo y agua y se deja llegar al equilibrio térmico con la mezcla. El pistón es entonces desplazado hacia adentro del cilindro muy lentamente, de tal manera que siempre está en equilibrio térmico con la mezcla de agua y hielo. Nos referiremos a esta compresión lenta del gas como el proceso 3. 1. En el proceso 3, Qué pasa con las siguientes cantidades, se incrementan, disminuyen o permanecen igual? el volumen del gas la temperatura del gas P la energía interna del gas la presión del gas 2. Bosqueja el proceso 3 en el diagrama PV provisto. V 3. Determine si las siguiente cantidades son positivas, negativas o cero. el trabajo hecho sobre el gas en el proceso 3 (explique su razonamiento refiriéndose a una fuerza y un desplazamiento) la transferencia de calor al gas en el proceso 3. 4. Son consistentes tus respuestas anteriores con la primera ley de la termodinámica? E. Cómo difiere la compresión en el proceso 3 con la compresión en el proceso 1? F. Un estudiante considera el proceso 3: La temperatura no cambia; es un proceso isotérmico. Por eso, el calor transferido debe ser cero Está de acuerdo con este estudiante?