DISCUSIÓN No 6 Calor y Primera Ley de La Termodinámica (Segunda Parte)

UNIVERSIDAD DE EL SALVADORFACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS

FÍSICA II/2015FÍSICA II/2015

GUÍA DE DISCUSIÓN Nº 6 GUÍA DE DISCUSIÓN Nº 6

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y TEORIA CINÉTICAY TEORIA CINÉTICA

(SEGUNDA PARTE) (SEGUNDA PARTE)

El agua hierve a presión constante. El calor fluye del depósito hasta que toda el agua se haya convertido en vapor. Al expandirse, el gas realiza trabajo a medida que levanta el pistón.

Guía de Discusión 6. Calor y Primera Ley de la Termodinámica (Segunda Parte) Ciclo I/2015

A. Definir o explicar o comentar los siguientes términos, según sea el caso. (Este literal es necesario que el estudiante lo conteste antes de recibir la discusión ya que lo utilizará para contestar los literales (B) y (C).

1. Proceso cuasiestático. 14. Descripción macroscópica y microscópica del

2. Proceso termodinámico. gas ideal.

3. Sistema termodinámico. 15. Postulados de la teoría cinética.

4. Cambio de estado. 16. Rapidez, raíz cuadrática media.

5. Proceso cíclico. 17. Energía cinética traslacional media de una

6. Proceso isocórico o isovolumétrico. molécula.

7. Proceso adiabático. 18. Energía interna de un gas ideal.

8. Proceso isobárico. 19. Principio de equipartición de la energía.

9. Proceso isotérmico. 21. Calor especifico molar.

10. Expansión libre. 22. Gas monoatómico, diatómico y poliatómico.

11. Calor específico a volumen constante. 23. Primera ley de la termodinámica.

12. Calor específico a presión constante. 24. Grados de libertad.

13. Modelo de gas ideal.

B. Dadas las siguientes preguntas de opción múltiple, señale la respuesta correcta.

1) En los cambios de volumen de un sistema constituido por un gas ideal, es correcto afirmar qué:

a) En la expansión o compresión isotérmica no hay intercambio de calor.b) En un proceso cíclico, el trabajo neto es igual a cero.c) En la expansión o compresión adiabática, no cambia la temperatura.d) En la expansión isobárica aumenta la temperatura del gas.

2) ¿Cuál de los siguientes procesos viola la primera ley de la termodinámica?, (puede haber varias respuestas correctas).

a) y

b) y

c) y

d) y

e) y

2

Molécula gaseosa que se desplaza y choca con otras en su trayectoria.


3) Tomando en cuenta los siguientes procesos que pueden efectuarse en un gas ideal:

volumen constante , presión constante y temperatura constante

,responda lo siguiente

1. ¿en cuál o cuales de ellos ?2. ¿en cuál o cuales ?3. ¿en cuál o cuales ?

4. ¿en cuál o cuales ?

5. ¿en cuál o cuales ?

4) ¿En cuál o cuales de los siguientes procesos se viola la primera ley de la termodinámica? (Puede haber varias respuestas correctas).

a) un cubo de hielo se introduce en café caliente; el hielo se enfría más y el café se caliente más.

b) se pone cera sólida en un sartén metálica caliente; la cera se derrite y la sartén se enfría.

c) se pone agua fría en un vaso también frió; el vaso y el agua se enfrían más. d) un estudiante construye un motor de automóvil que convierte en trabajo la energía

calorífica liberada cuando el agua se transforma en hielo.e) puede hacerse hielo seco dejando que el dióxido de carbono se expanda en una

bolsa.

5) En la figura se representan dos formas distintas de elevar la temperatura de un gas ideal

desde a del proceso puede decirse que:

a) El calor que debe suministrarse en el Proceso I es mayor que en el Proceso II.b) Al final del Proceso I, el gas tiene mayor energía interna que al final del Proceso II.c) Al final del Proceso II, el gas tiene mayor energía interna que al final del Proceso I.d) El calor que debe suministrarse en el Proceso II, es mayor que el suministro den el

Proceso I.

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6) ¿En cuál de las trayectorias entre el estado inicial y el estado final en la figura se realiza el máximo trabajo en el gas?

7) ¿Cuál de las siguientes situaciones no es una condición necesaria para un proceso en que realice trabajo un gas ideal?, (Puede haber varias respuestas correctas).

a) b) c)d)

8) ¿Qué tipo de gas ideal tendrá el máximo valor de ?

a) el monoatómico b) el diatómicoc) el poliatómicod) el valor será igual en todos

9) ¿Cuál será el valor más probable de , el calor específico molar a temperatura constante?

a) 0

b)

c)

d)

10) La energía interna de un gas ideal a bajas temperaturas consiste en la energía de sus moléculas del siguiente tipo.

a) Traslación.b) Traslación, rotación, vibración.c) Traslación, rotación, potencial.d) Traslación y rotación según el tipo de moléculas.

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11) La energía interna de un gas ideal depende de:

a) La temperatura solamente.b) La presión solamente.c) El volumen solamente.d) La temperatura y presión solamente.

12) La temperatura de un gas ideal está más cercanamente relacionada a:

a) La energía cinética de traslación de sus moléculas.b) El tamaño de sus moléculas.c) La energía potencial de sus moléculas.d) La energía total de sus moléculas.

13) Un sistema consiste de moléculas de gas cada una de masa ; la energía cinética

traslacional total en función de su rapidez cuadrática media es :

a)

b)

c)

d)

14) Cuando el número de moléculas es grande, la energía promedio por molécula para cada grado independiente de libertad es:

a)

b)

c)

d)

15) De acuerdo al análisis cinético de un gas ideal, la presión de éste resulta ser

y la energía cinética de sus moléculas se relaciona con su temperatura

absoluta así: . De acuerdo a esto es correcto afirmar que al aumentar la presión de un gas, la energía cinética de sus moléculas:

a) siempre debe aumentar.b) esta puede disminuir.c) puede mantenerse igual.d) es indiferente, puede aumentar o disminuir

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16) Dos de los siguientes enunciados que no corresponden al comportamiento de un gas ideal son:

a) una molécula pierde energía cinética cuando choca elásticamente con otra.b) hay energía potencial en la interacción de las moléculas.c) las colisiones puede modificar la energía interna de las moléculas d) la rapidez de una molécula no cambia después de una colisión con las paredes del

contenedor.

17) El gas en un contenedor cerrado es una mezcla de helio y de kriptón. La mezcla puede tratarse como un gas ideal si se supone que los átomos de ambas sustancias tienen:

a) la misma masa promedio. b) la misma rapidez promedioc) el mismo momento promediod) la misma energía cinética.

18) ¿De dónde proviene el factor en la ecuación

a) es una aproximación de b) se obtiene al comparar las unidades de presión y de densidad.c) se relaciona con el número de dimensiones espaciales.d) se obtiene al integrar para calcular el promedio.

19) La rapidez raíz cuadrática media de las moléculas en aire tranquilo y a temperatura ambiente se aproxima más a:

a) rapidez de la marcha .

b) la velocidad de un automóvil rápido .

c) la velocidad de un avión supersónico

d) la velocidad de escape de la tierra

e) la velocidad de la luz

C. Conteste las siguientes preguntas, razonando su respuesta.

1) a) ¿En qué consiste la energía interna de un sistema termodinámico?b)¿Porqué se llama función de estado?c) ¿Cómo se relaciona está energía interna con el calor y el trabajo?

2) Dé un ejemplo de un proceso en el que no se transfiera calor desde el sistema o hacia el sistema; pero la temperatura del sistema cambie.

3) ¿Puede añadirse calor a una sustancia sin causar que la temperatura de la sustancia se eleve? De ser así, ¿contradice esto el concepto de calor como energía en el proceso de transferencia debido a una diferencia de temperatura?

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Guía de Discusión 6. Calor y Primera Ley de la Termodinámica (Segunda Parte) Ciclo I/2015 4) Exponga las similitudes y especialmente las diferencias entre calor, trabajo y energía

interna.

5) ¿Es el calor lo mismo que la energía interna? Si no, dé un ejemplo en el que la energía interna de un sistema cambie sin haber un flujo de calor a través de la frontera del sistema.

6) ¿Puede usted decir si la energía interna de un cuerpo fue adquirida por transferencia de calor ó por efectos del trabajo?

7) Explique por qué la temperatura de un gas decrece en una expansión adiabática.

8) Comente esta aseveración: “Existen dos maneras de llevar a cabo un proceso adiabático. Una es efectuarlo rápidamente y la otra es efectuarlo dentro de una caja aislada”.

9) Si usted conoce los estados iniciales y finales del sistema, y el cambio de energía interna correspondiente; ¿puede determinar si ese cambio se debió a trabajo ó transferencia de calor?

10) Cuando un gas se expande adiabáticamente, realiza trabajo sobre un entorno. Pero, si no hay aporte de calor al gas; ¿de dónde proviene la energía?

11) Usando la primera Ley de la Termodinámica; explique, por qué la energía total de un sistema aislado siempre es constante.

12) ¿Es posible convertir energía interna en energía mecánica? Explique con ejemplos.

13) Hemos supuesto que las paredes del recipiente son elásticas en las colisiones moleculares. En realidad las paredes pueden ser inelásticas. ¿Porqué no importa esto, siempre y cuando las paredes estén a la misma temperatura y presión?

14) Dos salones de igual tamaño se comunican a través de una puerta abierta. Sin embargo las temperaturas medias en los dos salones se mantienen en valores diferentes. ¿En cuál de los salones hay más aire?

15) Qué justificación existe para despreciar los cambios de energía potencial gravitacional de las moléculas de un gas.

16) ¿Se habla que el peso de una bolsa plana y vacía de plástico delgado no cambia cuando se llena de aire? ¿Por qué?

17) ¿Por qué se eleva el humo de una vela encendida en lugar de caer?

18) ¿Cambia la presión y el volumen del aire en una casa cuando la estufa aumenta la temperatura significativamente? De no ser así ¿se viola la ley del gas ideal?

19) Si el aire caliente se eleva ¿por qué es más frío en la cima de una montaña que cerca del nivel del mar?

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20) ¿Cómo se explica la diferencia entre los calores específicos de un gas

constituido por moléculas monoatómicas y de un gas constituido por moléculas diatómicas?

21) ¿En que consiste el principio de equipartición de la energía?

22) ¿Qué entiende por grado de libertad de una molécula?

23) ¿Cómo varia la presión de un gas ideal cuando manteniendo constante el volumen y la temperatura, su número de moléculas se duplica?

24) ¿Cuáles son las hipótesis en que se basa la teoría cinética de los gases?

25) ¿Por qué un gas diatómico tiene un contenido de energía térmica mayor por mol que un gas monoatómico a la misma temperatura?

d. Problemas propuestos

1) Una cantidad de aire que ocupa a de presión manométrica se dilata isotérmicamente hasta una presión manométrica cero y luego se enfría a presión constante hasta que alcanza su volumen inicial. Calcule el trabajo efectuado sobre el gas.

2) Calcule el trabajo efectuado por un agente externo al comprimir de oxígeno de un volumen de y de presión a a la misma temperatura.

3) Un gas encerrado en una cámara pasa por el ciclo mostrado en la figura. Determine el calor

neto añadido al gas durante el proceso si , , y

4) Considere que se efectúa un trabajo de sobre un sistema y que extraen de calor del sistema. En el sentido de la primera ley de la termodinámica, ¿cuáles son los valores?, (incluyendo los signos algebraicos) de:

a) b)

c)

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5) Cuando un sistema se lleva del estado al estado a lo largo de la trayectoria en la

figura, se encuentra que y . A lo largo de la trayectoria ,

.


a) ¿Qué valor tiene a lo largo de la trayectoria ?

b) Si para la trayectoria curva de regreso , ¿Qué valor tiene en esta trayectoria?

c) Considere que . ¿Cuánto vale ?

d) Si , halle para el proceso y para el proceso .

6) Un gas dentro de una cámara experimenta los procesos mostrados en el diagrama de la figura. Calcule el calor neto añadido al sistema durante un ciclo completo.

7) Si un mol de un gas ocupa a la temperatura normal y a la presión normal

. Hallar la velocidad raíz cuadrática media de las moléculas de oxígeno

; en condiciones normales.

8) En un minuto, un millar de gotitas de agua de caen verticalmente sobre una

superficie de las gotas inciden sobre la superficie a una velocidad de .

Hallar la fuerza y presión sobre la superficie.

9) Si un mol de un gas ocupa un volumen de a la temperatura de 0ºC y a la presión de 1.0 atmósferas contiene un número de moléculas igual al número de Avogadro

. Hallar la energía cinética media de una molécula

en esas condiciones.9


10) Hallar la velocidad raíz cuadrática media de una molécula de , si un mol de gas

Hidrógeno está confinado en un recipiente de a una presión de .

.

11) ¿Por qué factor debe multiplicarse la temperatura absoluta de un gas para duplicar la velocidad raíz cuadrática media de sus moléculas?

12) Calcular la energía cinética media de las moléculas de un gas ideal a y a ¿Cuál es la energía cinética por mol de gas ideal a esas temperaturas?

13) ¿A qué temperatura la velocidad raíz cuadrática media de una molécula de

considerada ideal valdrá ?

14) Para un mol de Argón en un recipiente de un litro y a una

presión de . Determinar:

a) la velocidad raìz cuadrática media de sus moléculas.b) la energía interna del gas en tales condiciones.c) la temperatura y presión del gas a las cuales ocupando el mismo volumen su

energía interna se duplica.

15) Si dos moles de hidrógeno gaseoso se encuentran a la presión atmosférica y a la temperatura ambiente de . ¿Cuál es la energía cinética media de traslación de una molécula de hidrógeno en este gas?

16) El calor específico del Helio a presión constante es . Calcular en base a este dato el peso molecular del Helio sabiendo que se trata de un gas monoatómico.

17) Si el calor específico a volumen constante del Argón es de . Determinar la masa de dicho átomo.

18) Las pequeñas partículas de humo tienen masas de aproximadamente en el aire. Calcule la rapidez raíz cuadrática media cuando están en equilibrio térmico con el aire a 14ºC y una presión de 1.07 atm

19) A y la densidad de un gas es de .

a) halle Vrms para las moléculas del gasb) halle la masa molar del gas e identifíquelo

20) Halle la energía cinética media de traslación de cada molécula de nitrógeno a .

a) en Joulesb) en electron-voltios

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21) La masa de la molécula es . Si moléculas de

hidrógeno por segundo chocan contra de la pared en un ángulo de con

la normal cuando se desplaza con una rapidez de , ¿qué presión ejercen sobre la pared?

22) Un contenedor cilíndrico de longitud y de diámetro contiene gas nitrógeno a una presión de . Determine la rapidez de

sus moléculas.

23) Un gas ideal comienza en un punto inicial con un volumen y una presión

y este se comprime adiabáticamente hasta que su volumen sea .

Halle el cambio en la energía interna del gas suponiendo que sea Helio (gas monoatómico con ).

24) Calcule la energía interna de un mol de gas ideal a .

25) Se calientan de nitrógeno en un tanque de acero de a .

a) ¿cuántos moles de nitrógeno están presentes?b) ¿cuánto calor se transfiere al nitrógeno?

26) Una muestra de de un gas diatómico ideal experimenta un aumento de temperatura de bajo condiciones de presión constante.

a) ¿cuánto calor se añadió al gas?b) ¿en cuanto aumento la energía interna del gas?c) ¿en cuanto aumentó la energía cinética de traslación del gas?

27) El mejor vacío que puede obtenerse en el laboratorio corresponde a una presión de unas

o sea . ¿Cuántas moléculas hay por centímetro cúbico en ese

vacío a ?

28) La temperatura en el espacio interestelar es de . Halle la velocidad raíz cuadrática media de las moléculas de hidrógeno a esta temperatura.

29) Un mol de oxígeno se calienta a presión constante comenzando a . ¿Qué cantidad de energía calorífica debe proporcionársele al gas para duplicar su volumen?

30) Una maquina lleva de un gas monoatómico ideal alrededor del ciclo mostrado en la figura. El proceso tiene lugar a volumen constante, el proceso es adiabático, y el proceso tiene lugar a presión constante. Calcule el calor , el

cambio en la energía interna , y el trabajo para cada uno de los tres procesos y

para el ciclo en total, si la presión inicial en el punto es de .

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31) Un gas ocupa un volumen de 4.33 , a una presión de 1.17 atm y una temperatura de 310 . Se le comprime adiabáticamente a un volumen de 1.06 . Determine:

a) La presión final.b) La temperatura final, suponiendo que el gas sea un gas ideal para el cual

c) ¿Cuánto trabajo fue efectuado sobre el gas?

32) Un gas ideal experimenta una expansión isotérmica a desde hasta . Para 5 moles de gas, calcule el trabajo realizado, el calor suministrado y el cambio de energía interna.

33) Una fuerza externa comprime moles de un gas ideal aislado térmicamente. La función de estado es = constante. Al inicio el gas ocupa un volumen de y

se halla a . Cuando finaliza la compresión la temperatura es de . (a) Calcule el volumen final y la presión final; (b) determine el trabajo de compresión.

34) Cuatro Litros de un gas ideal se hallan a y . En primer lugar, el gas se expande isobáricamente hasta duplicar su volumen; después, se comprime isotérmicamente hasta su volumen original, y finalmente se enfría isométricamente hasta su presión original, (a) represente el proceso en un diagrama P-V; (b) calcule la temperatura durante la compresión isotérmica; (c) calcule el trabajo realizado en la expansión; (d) calcule la máxima presión alcanzada en el proceso.

35) En un cilindro se expanden 2 moles de un gas ideal hasta que su volumen se duplica.

Las condiciones iniciales son y . Calcule el trabajo si la expansión es

(a) isotérmica, (b) isobárica, (c) adiabática. En cada caso represente el proceso en un diagrama P-V. Tome

36) Un cilindro contiene 1 mol de oxígeno a . El cilindro está provisto de un pistón sin rozamiento que mantiene sobre el gas una presión constante de . El gas se calienta hasta . (a) Dibuje el proceso en un diagrama P-V; (b) calcule el trabajo realizado por el gas; (c) determine el cambio de energía interna del gas; (d) ¿Cuánto calor se le entregó al gas?

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Guía de Discusión 6. Calor y Primera Ley de la Termodinámica (Segunda Parte) Ciclo I/2015 37) Diez litros de aire a se comprimen a temperatura constante hasta que su

volumen es de y después se permite su expansión adiabática hasta . (a) represente el proceso en un diagrama P-V; (b) calcule la presión al final de la compresión; (c) determine la presión al final de la expansión. Tome

38) Dos gramos de Helio están inicialmente a y ocupan un volumen de . En primer lugar, se expande isobáricamente hasta duplicar su volumen y después adiabáticamente hasta que su temperatura vuelve a su valor inicial. (a) dibújese un diagrama P – V del proceso; (b) Calcule el calor suministrado en el proceso; (c) calcule el trajo neto realizado por el gas; (d) determine el volumen final. Tome

39) Un mol de gas ideal es sometido al ciclo representado en el diagrama P-V.

(a) Determine y ; (b) determine el trabajo neto efectuado por sistema; (c)

determine

40) 3.7 moles de un gas ideal se someten al proceso indicado en la figura. Determinar los valores del trabajo, calor y cambios de energía interna en las diferentes etapas del ciclo y del ciclo completo.

DISCUSIÓN No 6 (Segunda Parte)

Guía de Discusión 6. Calor y Primera Ley de la Termodinámica (Segunda Parte) Ciclo I/2015 UNIDAD VI: PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA Y

TEORIA CINETICA (6.6 a 6.8.6)

SEMANA 15 TIEMPO ACTIVIDAD CONTENIDOS

100 minutos

El docente inicia la actividad dando lugar a la participación de los estudiantes tal como se explica en el programa; sección IV.2 Discusión de problemas.

B: 1, 3, 4, 5, 6 C: 1, 2, 5, 6D:1, 4, 5, 6

DISCUSIÓN No 6 (Tercera Parte )UNIDAD VI: PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA Y

TEORIA CINETICA

(6.9 a 6.12.1)SEMANA 16 TIEMPO ACTIVIDAD CONTENIDOS

100minutos

El docente inicia la actividad dando lugar a la participación de los estudiantes tal como se explica en el programa; sección IV.2 Discusión de problemas.

B: 9, 10, 11, 15,16C: 7,8, 9, 10, 15, 25D: 7, 14, 19, 20, 24, 31, 34, 40

DISCUSIÓN No 6 Calor y Primera Ley de La Termodinámica (Segunda Parte)

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