Compendio de Guias de Trabajo Termodinamica Fs-200

8/12/2019 Compendio de Guias de Trabajo Termodinamica Fs-200

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Compendio Termodinmica FS-200/Recopilacin realizada por LIC. Brenda Hulse/ ING. Jorge A. Bonilla

COMPENDIO DE TERMODINAMICA

MATERIAL DE APOYO PARA LA

ASIGNATURA DE FISICA GENERAL II

CONTIENE:

Guas de TrabajoProblemas Propuestos

NOMBRE DEL ALUMNO_______________________________________

# de Cuenta_______________________ Seccin__________________

Marzo del 2014


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EL PRINCIPIO DE LA SABIDURIA , ES EL TEMOR A DIOS


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GUIAS DE

TRABAJO


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GUIA TEORICA

1. Definir la eficiencia trmica de una mquina trmica, .

2. A qu es proporcional la tasa de emisin de la energa radiante por un objeto? Escribir laexpresin para la Ley de Stefan y explicar cada una de las variables.

3. Cules son los puntos de congelacin y ebullicin en la escala Fahrenheit? La relacin delas escalas Celsius y Fahrenheit? La relacin entre los cambios de temperaturas de esasescalas?

4. Presenta algn problema el limitado intervalo de temperaturas de los termmetros?

5. Dibujar la placa de material de espesor X a travs de la cual se transfiere calor, a qu esproporcional la tasa a la cual fluye el calor? Cul es la direccin del flujo? Perpendicular a

qu?


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6. Qu indica un coeficiente de dilatacin lineal , positivo? Siempre es as? En dicho caso,que significara?

7. Energa interna y gases ideales. Por lo general, qu incluye la energa trmica?

8. Escribir la relacin grados Kelvin y grados Celsius. Qu se puede decir acerca del tamao desus grados?

9. Qu sucede con los lquidos al incrementarse su temperatura?

10.Qu representa H? Qu significa esto? Escribir la ley de conduccin del calor. Qu es k?Qu es el gradiente de temperatura? Cul es el significado fsico del signo menos?


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11.Qu es una mquina trmica?

12.Haga un diagrama en bloques que indique la funcin de la maquina trmica y deduzca laeficiencia de la misma.

13.Puede una maquina trmica funcionar a una misma temperatura? explique su respuesta.

14.Porque es necesario que una maquina trmica funcione entre 2 temperaturas, haga unabosquejo que de soporte a su respuesta.


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15.Qu se puede decir acerca del trabajo neto realizado durante el ciclo de Carnot?

16.Enumere los procesos que componen el ciclo de Carnot y explique cada uno.

17.Escriba el teorema de Reversibilidad.

18.A Quien define el enunciado de Clausius


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19. A Quien define el enunciado de Kelvin Plank.

20. Qu indica un coeficiente de dilatacin lineal , positivo? Siempre es as? En dicho caso,que significara?

21.Definir capacidad calorfica C.

22. Podra la temperatura de un objeto que radia energa alcanzar el cero absoluto?

23. Escribir la expresin para la energa neta ganada o prdida como consecuencia de laradiacin.


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24.Definir el proceso irreversible.

25.Definir el proceso reversible

26.Que es equilibrio termico

27.Que es contacto trmico

28.Enunciar la ley cero de termodinmica

29.Explicar la primera ley de termodinmica


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30.Escribir el enunciado de Kelvin Plank

31.Escribir el enunciado de Clausius

32.Dibujar el ciclo de la mquina de Carnot.

33.Escriba y explique las tres leyes de termodinmica.


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34.En cuanto el calor especifico a presin constante es ms grande que el calor especifico avolumen constante.?

35.Escriba la expresin para la rapidez de transferencia de calor. haga un bosquejo donde serepresenten las variables.

36.Escriba la expresin para calcular la energa interna en cualquier proceso.

37.Escriba la expresin para calcular calor a presin constante y a volumen constante.

38.El calor especifico de una sustancia es constante en cualquier condicin ? explique surespuesta.


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39.Los coeficientes de dilatacin de las sustancias son constantes para cualquier condicin?explique su respuesta.

40.Dibuje la grafica de los cambios de fase del agua, anote todos los datos correspondientes.

41.Si se le pidiera calcular la eficiencia del ciclo Gasolina, Diesel o cualquier otro, se aplica lamisma frmula?


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Teoria verdadero o falso termodinamica

1.) La energa interna no representa la energa interna total de un objeto, es decir , la

suma de sus energas moleculares cintica y potencial................................................( )

2.) Se dice que dos objetos estn en contacto trmico si y solo si tienen la misma

temperatura( )

3.) Termometra significa medicin de calor .( )

4.) Una maquina trmica no necesita una diferencia de temperaturas entre la entrada y

salida para poder realizar su funcin( )

5.)La eficiencia de una maquina irreversible no depende de la sustancia de trabajo sino

solo de las temperaturas con las que trabaje( )

6.) El calor especifico a volumen constante y a presin constante son irrelevantes en el

calculo de variacin de energa interna y calor.( )

7.)Para el calculo de la eficiencia de cualquier maquina trmica , lo podemos hacer con

los calores (Q1,Q2) o las temperaturas (T1,T2) indistintamente.( )

8.) El calor especifico de una sustancia tericamente es independiente del rango de

temperaturas en las que se este trabajando.( )

9.) Una calora es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura en un grado

centgrado un gramo de sustancia( )

10.) El gradiente de la rapidez de transferencia de calor por medio de conduccin es

negativo( )

11.) La diferencia de temperatura determina la direccin del flujo de calor.( )

12.) El coeficiente de dilatacin lineal indica un incremento en la longitud con el

aumento de temperatura en todos los materiales..( )

13.) Todos los lquidos aumentan su volumen conforme se incrementa su

temperatura( )


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14.) Capacidad calorfica de una muestra particular de una sustancia se define como la

cantidad de energa necesaria para aumentar la temperatura de la muestra en 1 c.( )

15.) Calor latente de fusin y calor latente de vaporizacin sirven para cambiar la

temperatura de una fase a otra...( )

16.) Q = 0 , en el proceso adiabtico significa que el sistema carece de energa

trmica( )

17.) Las energas internas inicial y final de un gas son iguales en una expansin libre

adiabtica libre( )

18.) En una proceso isotrmico por realizarse a volumen constante no hay cambio de

energa interna( )

19.) Tipos de transferencia de calor : conduccin , radiacin , conveccin.( )

20.) Clausius : la relacin a la cual un objeto radia energa es proporcional a la cuarta

potencia de su temperatura absoluta( )

21.) La energa interna de un gas incluye en realidad contribuciones de los movimientos

trasnacional, vibratorio y rotacional de las molculas( )

22.) Todas las maquinas reales son menos eficientes que la maquina de carnot porque

no operan a traves de un ciclo reversible.( )

23.) Kelvin-Plank : es imposible construir una maquina cclica cuyo unico efecto sea la

transferencia continua de energia de un objeto a otro a mayor temperatura sin la entrada

de energia por trabajo . ..( )

24.) En un proceso cuasi-estatico la temperatura permanece constante( )

25.) Deja de existir contacto trmico cuando las temperaturas de los cuerpos se

equipara( )


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GUA DE TRABAJO

CONDUCCIN DE CALOR

1. Concepto de transferencia de calor:

2. Enumerar los diferentes mecanismo mediante los cuales se transfiere calor:a. _______________________________________________________b. _______________________________________________________c. _______________________________________________________

3. Identificar en cada una de las figuras el mecanismo de transferencia de calor

_____________________

_____________________

____________________________


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4. Qu es transferencia de calor por conduccin?

5. Enumere los mecanismos mediante los cuales ocurre la conduccin de calor.a. _______________________________________________________b. _______________________________________________________

6. Se puede hablar de conduccin de calor en lquidos y gases?

7. Por qu existen sustancias denominadas buenas conductoras de calor?

8. De qu depende la rapidez de conduccin trmica?

9. Cul es la condicin necesaria para que ocurra la conduccin en un medioconductor?

10.Considerar una placa de material de espesor y reas de seccin transversal A.Una cara est a una temperatura T1y la otra cara est a T2> T1.

A. Cmo fluye la energa Q transferida en un tiempo t?


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Flujo deenerga

L

Aislante

T2 T1

T2> T1

Flujo de energa

para T2 >T1

x

A

T1

T2

B. Qu direccin tiene el flujo de energa enrelacin al rea de la seccin transversal?

C. Escribir la expresin correspondiente a laley de conduccin trmica:

D. El gradiente de temperatura que direccin tiene? Si no se considerar elvalor absoluto del gradiente de temperatura, cambiara en algo la ley de

conduccin trmica?

11.Suponer que una larga barra uniforme de longitudL, est trmicamente aislada; uno de los

extremos est en contacto trmico con un

depsito a temperatura T1, y el otro extremo

est en contacto trmico con un depsito de a

temperatura T2> T1.

A. Suposiciones que subyacen:a. __________________________________________________________

_

__________________________________________________________

_

b. ___________________________________________________________


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c. ___________________________________________________________

B. Existe contradiccin entre la disminucin de la temperatura a lo largo delgrosor x y la condicin de estado estable?

C. Escribir la expresin para el gradiente de temperatura. Por qu el valorabsoluto?

D. A qu es igual la rapidez de transferencia de energa por conduccin P atravs de la barra?

E. La ecuacin del inciso D indica que:a. ______________________________________________________________b. ______________________________________________________________c. ______________________________________________________________d. ______________________________________________________________

12.Graficar la distribucin de temperaturas en una placa con conductividad trmicaconstante.

T

x


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A. Qu tipo de curva representa la distribucin de temperaturas?B. Las caractersticas de la curva:

13. Combinacin de placas: Se analizar el caso de dos placas de conductividad K1y K2,de longitudes L1y L2; y se generaliza el resultado para n placas

A. En serie: las placas estn en contacto lado a lado y tienen igual reatransversal A; en un extremo la temperatura es T2y en el otro T1, (T2> T1)

rapidez de transferencia P =

T2 T1

P P

EL flujo

de

energa

a travs

de la

placa 1

es igual

al flujo

calorfico

a travs

de la

placa 2

K1 K2

L1 L2

TX

Temperatura

interfase = ?

EQUIVALENTE

K

PT2T1

L = L1+ L2

Se obtiene la temperatura TX

Se sustituye por

ejemplo aqu

Sustituido TX se igualan estas dosexpresiones y se despeja para K.

1. Qu expresin se obtienepara K?

2. Si se estuvieran placas deiguales longitudes,

combinadas en serie a que

sera igual K?


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14.RESISTENCIA TRMICA: Para una placa de Conductividad K, longitud L y reatransversal A, se definir como

Determinar la resistencia trmica equivalente para:

a. Dos placas en serie, de conductividad y longitudes diferentes.b. Dos placas en paralelo, de conductividad y reas transversales diferentes.c. Generalizar para el caso de n placas.


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15.Construir un mapa conceptual de la Conduccin de calor. Ejemplo de mapaconceptual:

en

de

Escalas de

temperaturaConduccin

Formas o

mecanismos

y susy las

Diferencias

y el

Slidos,

lquidos,

gases

Anlisis

como

Conveccin

Radiacin

Dilatacin Propagacin

del calorTermometra

Calorimetra

CALOR

Se estudia en

aspectos de

EFECTOS MEDICIONESRelacin

CALOR -

TEMPERATURA

como

comoque es

Cambios

de Fase


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20 40 60

t (min)

T (C)

0.0

2.0

PROBLEMAS

1. Un cubo de vidrio con masa de 205 g, sumergido en un lquido a 20 C, experimenta el empuje

hidrosttico de 1.0 N. Al repetir el experimento con las sustancias, pero siendo la temperatura dellquido de 70 C, se obtuvo el empuje hidrosttico igual a 0.977 N. Calcular el coeficiente de

dilatacin cbica y la densidad del lquido.

2. Qu longitudes debern tener respectivamente, a , una barra de acero y otra de cobre

para que a cualquier temperatura la barra de acero sea 5 cm ms larga que la de cobre?

3. Un recipiente para cocinar sobre un quemador con su flama baja contiene 10 kg de agua y

una masa desconocida de hielo en equilibrio a 0 C en el tiempo t = 0. La temperatura de la

mezcla se mide en varios tiempos y el resultado se grafica en la figura. Durante los primeros 50

min la mezcla permanece en 0 C. Entre el minuto 50 y el 60, la temperatura aumenta a 2 C.Ignorando la capacidad calorfica del recipiente determinar la masa inicial del hielo.

4. Qu pasar si en un recipiente de aluminio, con masa de 100 g y que contiene 410 g de

agua a , se echan 150 g de hielo a ?

5. Uno de los extremos de una barra de hierro se mantiene a la temperatura de

mientras que el otro se apoya en un trozo de hielo. La barra tiene 14 cm de longitud y 2 cm3

de rea de la seccin transversal. Esta barra est provista de un aislamiento trmico y, por lo

tanto, las prdidas a travs de las paredes laterales se pueden despreciar. Hallar la cantidad

de hielo que se funde en 40 min.

BLOQUE DE

HIELO a 0 CT1

T2

A

L


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6. El espacio anular situado entre dos capas esfricas concntricas de radios 0.05 y 0.15 m

respectivamente, esta relleno de carbn. Cuando se suministra energa a la velocidad de

10,8 Watts en estado estacionario a un calentador situado en el centro, se origina unadiferencia de temperatura de 50 C

entre las dos esferas. Calcular la conductividad

trmica del carbn.

7. Un tanque cilndrico vertical de 0.900 m de altura est cerrado por arriba con un pistn

ajustado sin friccin, de peso insignificante. El aire dentro del cilindro est a una presin

absoluta de 1.00 atm. El pistn se deprime vertiendo lentamente mercurio sobre l.

Cunto bajar el pistn antes de que se derrame mercurio por el borde superior del

cilindro. La temperatura del aire se mantiene constante.

8. n moles de un gas ideal en el que la capacidadcalorfica molar es Cv = 5R/2, se le traslada del punto"a" al punto "b". Siguiendo los caminos acb, adb y ab,la presin y el volumen finales son P 2 = 2P1 y V2 = 2V1.a) Cuntos grados de libertad posee el gas? Qu tipode gas es? b) Calcular el calor suministrado al gas, en

funcin de n, R y T 1 en cada proceso. c) Cual es lacapacidad calorfica en funcin de R para el procesoab?

9. Determinar la presin mnima posible de un gas perfecto en un proceso que transcurre

segn la ley , donde T0y son constantes positivas y Ves el volumen de un

mol de gas.

10. A dos moles de un gas perfecto que se encontraba a la temperatura T1 = 300 K se le

enfri isocricamente, como resultado de lo cual su presin disminuy k = 2 veces. Luego el

gas fue expendido isobricamente de tal modo, que su temperatura en el estado final lleg

a ser igual a la inicial. Hallar la cantidad de calor absorbido por el gas en dicho proceso.


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11. Un mol de un gas ideal se calienta a presin constante de modo que su temperatura se

triplica. Luego se calienta el gas a temperatura constante de manera que el volumen se

triplica. Encuentre la razn entre el trabajo efectuado durante el proceso isotrmico y el

realizado durante el proceso isobrico.

12. Un cilindro expansible tiene su parte superior conectada a un resorte de 2x10 3 N/m de

constante de fuerza. El cilindro est lleno con 5 L de gas con el resorte sin estirar a 1 atm y

20C. A) Si la tapa tiene un rea de seccin transversal de 0,01 m2y masa despreciable, qu

tan alto sube la tapa cuando la temperatura aumenta a 250C?, b) Cul es la presin del

gas a 250C?

13. Tres moles de un gas perfecto que se encontraban a la temperatura T1= 273 K

expandieron isotrmicamente en = 5 veces y luego calentaron isocricamente de modo

que su presin en el estado final lleg a ser igual a la inicial. En el transcurso de todo el ciclo

se le comunic al gas una cantidad de calor Q = 80 kJ. Hallar el valor del coeficiente

adiabtico para este gas.

14. Como resultado de elevar la temperatura 32C, una barra de longitud Lo con una

fisura justo en su centro y extremos fijos, fractura hacia arriba, desplazndose

verticalmente una cantidad x. Si Lo=3,77m y el coeficiente de expansin lineal es

25X10-6/C, encuentre x, la distancia que sube el centro de la barra.

15. En un cilindro se tienen 2 moles de oxgeno en el estado A de presin 4.1 atm y con

un volumen de 2 litros. El gas se calienta a volumen constante hasta el estado B,

donde la temperatura es de 100 Kelvin. Luego se sigue calentando, pero a presin

constante hasta alcanzar el estado C, agregndole 28.7 caloras en el camino.

Finalmente, se expande a temperatura constante hasta alcanzar el estado D,

alcanzando la presin inicial.

a. Dibujar los procesos sealados en un plano P-V.b. Calcular las temperaturas en los estados A y C.c. Calcular el calor neto intercambiado entre el ga y el ambiente entre los estados

A y D.


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P

V

d. Calcular el cambio en la energa interna del gas entre los estados inicial y final.

16. 0.60 kg de hielo a -10C se coloca en 0.30 kg de agua a 50C. Cunto lquidoqueda cuando el sistema alcanza el equilibrio trmico? Cul es la temperatura en elequilibrio trmico?

17. Una cacerola de aluminio de 15 cm de dimetro, llena de agua, est puesta en unahornilla. El agua hierve y cada minuto se forman 300 g de vapor. Hallar la temperaturaa que se encuentra la parte exterior del fondo de la cacerola si su espesor es de 2 mm.

18. Una partcula se deja caer desde la parte superior de la barra de longitud L 0cuando la temperatura es T0, el tiempo que recorre una distancia igual a esta longitudes t0. Determinar el tiempo que tarda en caer cuando la temperatura ha sido elevada

en un T.

19. Un gas perfecto efecta un ciclo que se compone de: una isobara, una adiabata y una

isoterma, con la particularidad de que el proceso isotrmico tiene lugar a la temperatura

mnima del ciclo. Determinar el rendimiento del ciclo, si la temperatura absoluta en suslmites vara veces.

20. Un gas perfecto cuyo exponente adiabtico es realiza un

ciclo (ver figura), en los lmites del cual la temperatura absoluta

vara k veces. Calcular: el rendimiento del ciclo.


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21. Considerar una placa de espesor L cuyas superficies estn sujetas a Temperaturas

T2y T1(T2> T1). Si la conductividad trmica del material vara con la temperatura de

acuerdo a la relacin:

donde y a son constantes, determinar el flujo calorfico por unidad de rea a

travs de la placa.

22. Dada una combinacin de placas como se muestra en la figura, determinar a) el

flujo calorfico total, b) la conductividad K de una placa equivalente, c) la resistencia

trmica equivalente.

23. Una tubera de vapor de agua de R2de radio a temperatura T2, est rodeado

de una camisa cilndrica de un material de conductividad K 1de radio interior R2y

radio exterior R3 , respectivamente; esta a su vez est rodeada por una camisa

cilndrica de un material de conductividad K2con radio interior R3y radio exterior

R1, respectivamente. Suponiendo que esta superficie exterior tiene una

temperatura T1: a) Calcular la temperatura en la unin entre las dos capas

aislantes. b) La conductividad equivalente K. c) La razn de transferencia de calor

total hacia afuera.

K

E uivalente a

R2

T2

T1

K2

K1

R1

R3

K2

K1

K3T2

T1

L/2 L/2

A/3A


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24. Diga cul de las siguientes afirmaciones es falsa:

a. La variacin de energa interna en un sistema termodinmico no dependede procesos o trayectorias termodinmicas.

b. Un cuerpo puede absorber calor sin que su temperatura aumente.c. Cuando una sustancia cambia de fase, absorbe o cede calor.d. El calor intercambiado entre un sistema termodinmico y el medio

ambiente es independiente de cmo se realiza este intercambio.

e. El trabajo mecnico para efectuar un cambio dado en el estadotermodinmico de un sistema depende de cmo se realiza este cambio.25. En el grfico P-T est representado una transformacin experimentada por un gas

perfecto, dibujarlo en un diagrama P-V.

26. Un gas diatmico se le comunican 500 cal. Al ocurrir esto, el gas se dilata a presin

constante. Hallar el trabajo de expansin.

27. Sabiendo que un congelador tiene una potencia de 1 Kcal/min, estimar el tiemponecesario para congelar un litro de agua a 0C y 1 atm. Calor de fusin del Hielo: 80cal/g.

P

T

Dibujar el diagrama

PV correspondiente

P

V


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SELECCION UNICA

1) A 35 .0 m bajo la superficie del mar (densidad = 1,025 kg/m), donde la temperatura es de 5.00 c, un

buzo exhala una burbuja de aire que tiene un volumen de 1.00 cm. Si la temperatura de la superficie delmar es igual a 20.0 c, Cual es el volumen de la burbuja justo antes de que se rompa en la superficie?

a) 3.67 cmb) 2.67 cmc) 4.71 cm

d) 9.92 cme) Ninguna de las anteriores

2) Una taza de aluminio de 0.1 L de capacidad est totalmente llena de mercurio a 12 c Si se llegara a derramar

mercurio al aumentar la temperatura en 18 c , cuanta cantidad sera? ( mercurio = 1.8 x 10 c y aluminio = 23 x10 c )

a) 66.6 mmb) 6.66x10 L c) 1.99x10 Ld) a y b son correctase) ninguna es correcta

3) El calor es :

a) La transferencia de energa de energa de un objeto a otro que estn a la misma temperatura.

b) La transferencia de de energa de un objeto a otro como resultado de una diferencia de temperatura entre los

dos.

c) La transferencia de temperatura de un objeto a otro resultado de una diferencia de calor entre los dos.

d) Un equilibrio trmico entre los cuerpos.e) Ninguna es correcta

4) En una transformacin adiabtica, cuando el sistema realiza trabajo sobre el medio ambiente :

a) Hay una disminucin en la temperaturay un aumento de energa interna

b) Hay un aumento en la temperatura y unaumento en la energa interna

c) Se asla trmicamente

d) Se expande con un coeficienteadiabtico

e) Hay una disminucin en la energainterna y una disminucin en latemperatura

f)

Ninguna es correcta5) En una transformacin isocora:

a) No hay intercambio de calor con elmedio

b) El trabajo neto es funcin de estadoc) El volumen es cero

d) Como el volumen no vara , la energainterna no varia

e) No fluye energa en forma de trabajopor los lmites del sistema


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f) Ninguna es correcta1) Dos caractersticas de la transformacin isotrmica son :

a) La energa interna y la temperatura soncero.

b) El trabajo y el cambio de energa internason iguales

c) El trabajo realizado aumenta latemperatura y la energa internadisminuye

d) La energa interna es cero y el cambio enla temperatura son cero.

e) El cambio en la energa interna es cero y ecambio en la temperatura es un valor real.

f) Ninguna es correcta

2) Al decir que la energa interna es funcin de estado entonces:a) Depende de la trayectoria del procesob) Depende de los estados intermedios ,

pero ms de los estados final e inicial

del proceso

c) Es independiente de los estadosintermedios y depende solo de losestados inicial y final.

d) Depende del trabajo nicamentee) Ninguna es correcta

3) Se interpreta como la energa que debe suministrarse en forma de calor para aumentar en un grado la temperaturade un cuerpo:

a) Energa Internab) Conductividad trmicac) Calor especifico

d) Calor especifico molare) Capacidad calorfica

4) Se transfiere entre un sistema y su medio ambiente en virtud de su diferencia de temperaturas:a) Calor se convierte en trabajob) Calorc) Potencia

d) Calor especificoe) Energa internaf) Trabajo

5) Al suponer un gas ideal:a) Tiene una alta densidadb) No tiene perdidasc) Tiene un bajo volumen.

d) No tiene masae) La relacin de masa por unidad de

volumen es baja

f) Ninguna de las anteriores6) Transferencia de energa causada por la diferencia de temperatura entre 2 partes adyacentes

a) Conveccin de calorb) Radiacin de calorc) Conduccin de calor

d) Energa internae) Potencia transferida

7) Los metales son buenos conductores de calor:


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a. porque los tomos vibran en torno a sus posiciones de equilibriob. por la naturaleza asimtrica de la curva de la energa potencial correspondiente a los tomos.c. porque la conveccin se produce tanto por la vibracin de tomos como por el movimiento de electrones

libresd. ninguna de las anteriores.

8) Una mquina trmica real que no funciona entre los mismos depsitos que una mquina de Carnot:

a. es igual de eficiente que la mquina deCarnot

b. es ms eficiente que la mquina de Carnotc. es menos eficiente que la mquina de

Carnotd. No se puede establecer la relacione. ninguna es correcta

9) El calor especifico a presin constante es ms grande que el calor especfico a volumen constante en la proporcin:

a) el valor del coeficiente adiabtico

b) la constante universal de gases

c) La variacin de la energa interna

d) ninguna es correcta

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