Respuestas Capitulo 1 Fisica Termodinamica Tipler

7/16/2019 Respuestas Capitulo 1 Fisica Termodinamica Tipler

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CAPÍTULO 19 LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

PREGUNTAS

19.1 en los siguientes procesos el trabajo efectuado es positivo o negativo? a) la expansión de

una mezcla aire-gasolina quemada en el cilindro de un motor automotriz b) abrir una botella de

champaña c) llenar un tranque de buceo con aire comprimido d) la abolladura parcial de una

botella de agua vacía y cerrada, al conducir descendiendo desde las montañas hacia el nivel del

mar..

a) positivo

b) negativo

c) positivo

d) positivo

19.2 No es cierto decir que un cuerpo contiene cierta cantidad de calor, no obstante, un cuerpo

puede transferir calor a otro. Entonces, ¿Cómo un cuerpo cede algo que no tiene?

Un cuerpo intercambia energía a su entorno mediante el trabajo mecánico. Este trabajo efectuado

no depende únicamente de las posiciones inicial y final respectivamente, también depende de la

trayectoria; cuando un sistema a cierta presión cambia su volumen efectúa una cantidad de

trabajo. Es negativo si el trabajo se efectúa sobre el sistema.

19.3 en que situaciones debe usted efectuar mas trabajo: al inflar un globo al nivel del mar o alinflar el mismo globo con el mismo volumen en la cima del monte McKinley . explique su

respuesta en términos de presión y cambio de volumen..Se efectúa mayor trabajo a nivel del mar ya que existe mayor presión que en el monte y ademásel volumen aumenta conforme aumenta el nivel del mar.

19.4. Si le dan los estados inicial y final de un sistema y el cambio correspondiente de energía

interna, ¿podría determinar si dicho cambio se debió a trabajo o transferencia de calor?

Explique su respuesta.

Si se puede saber ya que en los estados inicial y final se puede deducir si es un proceso adiabático,

isocórico, isobárico o isotérmico ya que cada uno depende del calor o del trabajo.

19.5. Comente la aplicación de la primera ley de la termodinámica a una alpinista que ingierealimentos, se calienta y suda mucho durante el ascenso, y efectúa mucho trabajo mecánico para

subir su cuerpo a la cima. La alpinista También se acalora durante el descenso. ¿La fuente de

esta energía es la misma que durante el ascenso?

La alpinista genera calor por la reacción química que se produce en su interior (metabolismo) al

ingerir los alimentos, el calor es una forma de energía, dicha energía es necesaria para producir el

trabajo mecánico para subir el cuerpo a la cima, también existe cambio de temperatura en el



cuerpo de la alpinista, debido a estos cambios, podemos decir que este es un claro ejemplo de

proceso termodinámico. En el descenso la fuente de energía también son los alimentos

consumidos, pero para realizar este trabajo mecánico la energía necesaria es menor.

19.6 cuando se derrite hielo a 0°C, su volumen disminuye ¿el cambio de energía interna esmayor, menor o igual que el calor agregado? ¿Cómo lo sabe?

En este caso W es negativo, el suministro de calor es menor que en el caso a volumen constante, yCP es menor que CV

19.7 Usted sostiene un globo inflado sobre un ducto de aire caliente de su casa y observa que se

expande lentamente. Después usted lo aleja del ducto y lo deja enfriar a la temperatura

ambiente. Durante la expansión, ¿Cuál era mayor, el calor agregado al globo o el trabajo

efectuado por el aire dentro de este? Explique su respuesta (suponga que el aire es un gas ideal).

Una ves que la temperatura regresa a la temperatura ambiente, ¿ como el valor neto ganado operdido por el aire dentro del globo se compara con el trabajo neto efectuado sobre el aire

circundante o con el trabajo realizado por éste?.

Durante la expansión el calor es el mayor ya que hay un aumento de temperatura que hace que se

expanda y también porque el calor es positivo cuando entra al sistema.

Por el hecho de que si Q es positivo es porque entra calor al sistema y al regresar a temperatura

ambiente el Q se hace negativo.

19.8) Usted hornea galletas con chispas de chocolate y las coloca aun calientes dentro de un

recipiente con una tapa suelta (sin cerrar herméticamente). Qué tipo de proceso sufre el airedentro del recipiente, conforme gradualmente las galletas se enfrían a temperatura ambiente

(isotérmico, isocórico, adiabático, isobárico, o una combinación de procesos). Explique su

respuesta.

El proceso no es isotérmico ya que el aire del interior del recipiente tiene interacción con el

exterior; no es adiabático ya que si hay transferencia de calor, así es que el proceso podría ser una

combinación de isocórico con adiabático.

19.9 Imagine un gas constituido exclusivamente por electrones con carga negativa. Las cargas

iguales se repelen, así que los electrones ejercen fuerzas de repulsión entre sí. ¿Cabria esperar

que la temperatura de semejante gas aumentara, disminuyera o se mantuviera igual durante

una expansión libre? ¿Por qué?

La temperatura aumentara porque al repelerse los electrones entre si aumenta la vibración de los

mismos y aumentara la temperatura.



19.10. Hay unos cuantos materiales que se contraen cuando aumenta la temperatura, como el

agua entre 0°C y 4°C. ¿Cabría esperar que Cp para tales materiales fuera mayor o menor que Cv

¿por qué?

El volumen disminuye durante el calentamiento. En este caso, W es negativo, el suministro de

calor es menor que en el caso a volumen constante, y Cp es menor que Cv.

19.11 Si soplamos sobre el dorso de nuestra mano con la boca bien abierta, el aliento se siente

tibio. En cambio, si cerramos parcialmente la boca como para pronunciar una “o” y soplamos

sobre la mano, el aliento se siente fresco. ¿Por qué?

Como el aire proviene del interior de nuestros pulmones, se encuentra aproximadamente a latemperatura corporal y al dejarlo salir sin inconvenientes por la boca abierta, es aire caliente. Consolo modificar la abertura bucal le imprime más velocidad, sin que hagamos ningún esfuerzo.Cuando soplamos mantenemos la boca casi cerrada, de forma que el aire se ve obligado a salir poruna abertura mucho más estrecha. Y cuando un fluido con caudal constante pasa de un conducto

de mayor sección a otro de menor, necesariamente su velocidad aumenta, según el efectoVenturi. Y si la energía cinética, que viene determinada por la velocidad, aumenta, la energíadeterminada por el valor de la presión ha de disminuir forzosamente, según el teorema deconservación de la energía o principio de Bernoulli.

Al encontrarse fuera de la boca y a presión más reducida, el aire se expande. El efecto Joule-Thomson nos dice que si un gas se expande libremente, su temperatura disminuye, pues ladistancia entre sus moléculas es mayor y su energía se diluye en un mayor volumen. Por tanto, elaire del soplido tiene una temperatura inferior a la del aliento.

19.12. En los globos de aire caliente, el aire envuelto en el globo es calentado a través de un

agujero en la parte más baja por un quemador de propano. El aire caliente dentro de laenvoltura permanece a presión atmosférica por el agujero en la parte inferior, y el volumen de

la envoltura es constante. Por lo tanto, cuando el piloto arranca el quemador, para calentar el

aire, el volumen de la envoltura, y la presión dentro, son constantes pero la presión incrementa.

La ley del gas ideal parece prohibir esto. Que es lo q pasa entonces?

Debido a que hay un agujero en la parte inferior del globo, el gas puede impulsarse, al hacer esto

empieza a elevarse y el gas realiza un trabajo, por lo que la energía interna del gas podría

mantenerse constante, pues el calor se convierte en trabajo.

19.14 Cuando se usa una bomba manual para inflar los neumáticos de una bicicleta, la bomba se

calienta después de un rato. ¿Por qué? ¿Qué sucede con la temperatura del aire en la bomba alcomprimirse? ¿Por qué sucede así? Cuando se levanta el mango de la bomba para succionar aire

exterior hacia el interior de ésta? ¿qué sucede con la temperatura del aire admitido? De nuevo,

¿por qué sucede eso?



Después de un rato la bomba se calienta porque el gas realiza un trabajo sobre la esta, es decir, el

signo de W es negativo, lo cual hace que se incrementa la energía interna de la misma y absorba

cierta cantidad de calor.

Al levantar el mango de la bomba el gas se expande y realiza un trabajo positivo, por lo cual su

energía interna disminuye y su temperatura baja.

En cambio al comprimir; la situación se invierte y la temperatura del aire en la bomba aumenta

19.15 En el carburador de un motor para automóvil o avión, el aire fluye por una abertura

relativamente pequeña y luego se expande. Si el tiempo es fresco y con niebla, llega a formarse

hielo en su abertura, aun cuando la temperatura del aire exterior este arriba del punto de

congelación. ¿Por que?

Porque el aire solo fluye en el interior del agujero por lo tanto la temperatura exterior no produce

ningún efecto sobre el agujero por esto se forma hielo en esa abertura.

19.16 en un día soleado, se forman grandes “burbujas” de aire sobre la tierra q calienta el sol, se

expande gradualmente y, por último, se libera para salir por la atmosfera.las aves y los

planeadores aprovechan estas “corrientes térmicas” para ganar altitud con facilidad. Esta

expansión es en esencia un proceso adiabático ¿por qué?

Si es un proceso adiabático puesto que no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga variarla temperatura del aire y su humedad relativa. El calentamiento y enfriamiento adiabático sonprocesos que comúnmente ocurren debido al cambio en la presión de un gas.

19.17

Cuando el trabajo se realiza sobre el sistema se pierde calor, y disminuye la temperatura haciendo

asi que llueva.

19.18).Aplicando las mismas consideraciones que en la pregunta 19.17, explique por qué la isla

niihau, unos cuantos km al sur oeste de Kauai, es casi un desierto y los campos agrícolas de esta

isla necesitan riego.

De acuerdo a las condiciones de Kauai descritas en la pregunta 19.17 el viento en esta isla sopla

desde el noreste pero en esta isla se encuentra el monte waialeale de 1523 m de altura, y la isla

Niihau se localiza al sureste de Kauai por lo que las dimensiones del monte no posibilitan la

circulación de la corriente de viento a esta isla, convirtiendo se el monte en un verdadero escudo,lo que minoriza las precipitaciones en la isla.

19.19. En un proceso a volumen constante, dU = nC V dT . Pero en un proceso a presiónconstante no es cierto que dU = nC P dT . ¿por qué no?



No se cumple porque si se produce un cambio en el volumen (en los procesos a presión constante)

el trabajo es diferente de cero, lo cual hace imposible convertir la ecuación de: dQ = dU + dW ; a

la forma deseada, ya que no se anula el trabajo.

19.20 Cuando un gas se comprime adiabáticamente contra el aire circundante su temperatura

aumenta aunque no fluya calor hacia el gas. De donde proviene la energía que eleva latemperatura?

De la energía cinética provocada por los choques entre los gases.

19.21 Cuando un gas se expande adiabáticamente, que funciona en su entorno. Pero si no hay

entrada de calor al gas, ¿de dónde proviene la energía para hacer el trabajo?

Cuando un sistema está térmicamente aislado, rodeado de paredes adiabáticas, no existeintercambio de calor con el medio, sin embargo existen formas de realizar trabajo sobre elsistema o por el sistema.Para un sistema que se halla adiabáticamente aislado, el trabajo que se necesita para variarel sistema desde un estado 1 a un sistema final 2, resulta ser independiente de la forma quese realiza trabajo, sólo depende de los estados inicial y final.Ya que el trabajo adiabático depende sólo de los estado inicial y final del sistema, se defineuna función de las coordenadas termodinámica U, llamada energía interna, de modo que:W12 (adiabático ) = - ( U2 - U1)corresponde al trabajo realizado por el sistema para llevarlo del estado 1 al estado 2.

19.22) El gas que se utiliza para separar los dos isótopos de uranio 235U Y 238U tiene la fórmula

UF6. Si se agrega calor a tasas iguales a un mol de UF6. Si se agrega calor a tasas iguales a un mol

de UF6 gaseoso y a un mol de H2 gaseoso, ¿Cuál temperatura esperaría usted que se elevara

más rápido? Explique su respuesta.

El gas UF6 es un compuesto poliatómico mientras que el H2 es uno diatómico de manera que la

capacidad calorífica molar para el UF6 será mayor pudiendo absorber mayor energía sin un mayor

incremento de temperatura, por lo tanto el que se elevaría más rápido en su temperatura entre

los dos sería el H2

PROBLEMAS

19.01

Datos Resolucion

∫



19.2 Seis moles de un gas ideal están en un cilindro provisto en un extremo con un pistón móvil.

La temperatura inicial del gas es 27C y la presión es contante. Como parte de un proyecto de

diseño de maquinaria, calcule la temperatura final del gas una vez que se haya efectuado

J de trabajo.

19.3. Dos moles de gas ideal están comprimidos en un cilindro a temperatura constante de 82°C

hasta que se triplique la presión original. a) Dibuje una gráfica pV para este proceso. b) Calcule la

cantidad de trabajo efectuado.

a)

P

V

2

1

b)

T=358.15K

19.4. Un cilindro metálico de con paredes rígidas contiene 2.50 moles de oxígeno gaseoso. El gas

se enfría hasta que la presión disminuye al 30% de su valor original. Se puede despreciar la

contracción térmica del cilindro. a) Dibuje una gráfica pV para este proceso. b) Calcule el trabajo

efectuado por el gas.



El trabajo es igual al área bajo la curva es decir:

19.5. Durante el tiempo en que 0.305 moles de un gas ideal sufren una compresión isotérmica a

22°C, su entorno efectúa 518J de trabajo sobre él.

a) Si la presión final es de 1,76 atm ¿Cuál fue la presión inicial?

Datos:

W=-528JR=8.314n=0,305 molesT=293 KP2=1,76 atmP1=?

b) Dibuje una gráfica pV para el proceso.

P%

V

100

50

30

atme P

e P P

nRT W

e P

P

nRT

W

P

P

P

P nRT W

ñ

nRT W

881,0)76,1(1

*21

692,0)293)(305,0)(314,8(

518

2

1

2

1ln

2

1ln

692.0

692,0

/



El trabajo es de compresión, por lo tanto es negativo.

19.6

a)

b)

No existe variación de volumen.

La presión es constante.

19.7 Trabajo efectuado por un proceso cíclico a) En la fig. 19.7 a considere el ciclo cerrado 1-3-2-

4-1 que es un proceso cíclico donde los estados inicial y final son los mismos. Calcule el trabajo

total efectuado por el sistema en este proceso y demuestre que es igual al área encerrada por el

ciclo. b) ¿Qué relación hay entre el trabajo efectuado por el proceso del inicio a) y el efectuado si

se recorre el ciclo en la dirección opuesta 1-4-2-3-1? Explique su respuesta.

a) W = área bajo la curva y como es un proceso cíclico:Si vamos en dirección horaria será igual a (4-2)*(1-4)= (V2 – V1)(P1 – P2)

W = (V2 – V1)*(P1 – P2)

b) W1 = P∆V = 0 W2 = P∆V = -W el negativo del trabajo en dirección contraria.



19.8

Aplique ΔU = Q −W .

Para un gas ideal, U depende sólo de T. La Primera Ley de termodinamica

V disminuye y W es negativo.

(b) Desde que T es constante? U = 0 y Q = W. Desde que W es negativo, Q es negativo.

(c) Q = W, las magnitudes son el mismo.

Q <0 flujos de calor de medios fuera del gas. El buzo hace el trabajo positivo en el gas. La energía

agregó por el trabajo positivo arreglado en las hojas de gas como el flujo de calor del gas y la

energía interior del gas es constante.

19.9 Un gas en un cilindro se expande desde un volumen de 0.110 m3 a 0.32m3 fluye calor hacia

el gas con rapidez mínima que permite mantener la presión constante a 1.80x105

Pa durante laexpansión. El calor total agregado es de 1.15 x 105 J

a) Calcule el trabajo efectuado por el gas

b) calcule el cambio de energía interna de gas

c) ¿Importa si el gas tiene comportamiento ideal o no ? ¿Por qué?

a)

Q=±1.15 x 105 J

W=p∆V= (1.80x105 Pa)(0.32m3 – 0.110 m3)

W=3.78x104 J

b)

∆U=Q-W

∆U= 1.15 x 105 J - 3.78x104 J

∆U= 7.72x104 J

c)

W= p∆V para un proceso de presión constante y ∆U=Q-W los dos se aplicamn para cualquier

material

La ley de gas ideal no se usa y no importa si es gas ideal o no



19.10. Cinco moles de un gas monoatómico con comportamiento ideal y temperatura inicial de

127°C se expanden. Al hacerlo, absorben 1200 J de calor y efectúan 2100 J de trabajo. Calcule la

temperatura final del gas.

ΔU = Q –W

Q = +1200 J

W = +2100 J

ΔU =1200 J − 2100 J = −900 J

ΔU = n(3/2 R) ΔT

ΔT= 2 ΔU/3nR= 2(-900 J)/ 3(5.00 mol)(8.3145 J/mol K)= -14.4°C

T 2 = T 1 + ΔT =127°C −14.4C° =113°C

19.11. You kick a soccer ball, compressing it suddenly to j of its original volume. In the process,

you do 410 J of work on the air (assumed to be an ideal gas) inside the ball. (a) What is the

change in internal energy of the air inside the ball due to being compressed? (b) Does the

temperature of the air inside the ball rise or fall due to being compressed? Explain.

a) Aplicando ΔU=Q−W para el aire dentro de la pelota.

Cuando el volumen decrece, W es negativo.

Y como la compresión es momentánea, Q = 0.

Entonces ΔU=Q−W con Q = 0

Tenemos ΔU= −W .

Si W <0 entonces ΔU >0.

ΔU = +410 J.

b) Como ΔU>0, la temperatura aumenta.

Cuando el aire es comprimido, el trabajo es hecho sobre el aire por la fuerza sobre el aire. El

trabajo hecho sobre el aire aumenta su energía. La energía no sale del gas como flujo de energía,

por lo que la energía interna aumenta.

19.12. Un gas en un cilindro es sostenido a una presión constante de 2.3 x 105 Pa, y es enfriado y

comprimido de 1.7 m3 a 1.2 m3. La energía interna del gas desciende en 1.4 x 105 J,

a) encontrar el trabajo hecho por el gas.

b) encontrar el valor absoluto de |Q| para la fluidez de calor dentro o fuera del gas, y señale la



dirección de la fluidez de calor.

c) importa si el gas es o no ideal? Por que?

a)

b)

||

La dirección de fluidez del calor es desde adentro hacia afuera del sistema, para que el sistema se

enfríe debe perder calor.

c) En esta ocasión no importa qué tipo de gas es, porque el calor esta en función de la energía

interna y el trabajo realizado por el gas, como conjunto y no por cada una de sus partículas.

19.13 una dona representativa contiene 2.0 gr de proteínas, 17.0 gr de carbohidratos y 7.0 gr de

grasas. Los valores medios de energía alimentaria de esas sustancias son de 4.0 kcal/g para las

proteínas y los carbohidratos y de 9.0 kcal/g para las grasa. A) Al hacer ejercicio intenso, una

persona representativa consume energía a una tasa de 510 kcal/h. ¿Cuánto tiempo hay que

hacer ejercicio para quemar una dona? B) Si fuera posible convertir la energía de una dona en

energía cinética del cuerpo entero, ¿Con que rapidez se podría mover una persona después decomer una dona? Suponga que la masa del hombre es de 60 kg y exprese su respuesta en m/s y

km/h.

a) 4 Kcal 1 gr x= 76 kcal

X 2+17 gr E= 139 kcal

510 kcal 1h x= 0.273 h

9 kcal 1 gr x= 63 kcal 136 kcal x x=16.4 min

X 7gr

b) E= 139 kcal= 581854 J

E= ½ m V2



581854 J= (0.5) 60kg V2

V=139.2 m/s

V= 501.3 km/h

19.14 Un líquido se agita irregularmente en un recipiente bien aislado, con lo que aumenta sutemperatura. Considere el líquido como el sistema. a) ¿Se ha transferido calor? ¿Cómo lo sabe?

B) ¿Se ha efectuado trabajo? ¿Cómo lo sabe? ¿Por qué es importante que la agitación sea

irregular? C) ¿Qué signo tiene ∆U? ¿Cómo lo sabe?

Al agitar el líquido se le agrega cierta cantidad de calor y como el sistema no realiza trabajo en el

proceso la energía interna aumenta, es decir, ∆U=Q, y como el entorno está realizando un trabajo

sobre el líquido, W tiene signo negativo, por lo tanto ∆U tiene signo positivo.

19.15 Un gas ideal se lleva de a a b en la grafica pV que se muestra en la figura 19.22. Durante

este proceso, e agregan 400 j de calor y se duplica la presión.

a) ¿Cuánto trabajo realiza el gas ideal o se efectúa sobre este ?Explique su respuesta. b) Como la

temperatura del gas el a se compara con la temperatura del gas en b? Especifique. c) Como la

energía interna del gas en a se compara con la energía interna del gas en b ¿De nuevo

especifique y explique su respuesta.

a) Es igual a cero porque el volumen permanece constante por lo tanto el sistema no efectúatrabajo.

b)



Pa=30 Pa

Pb=60 Pa

Tb/Ta=Pb/Pa

Tb=2 Ta

La temperatura en b es el doble de la temperatura en a porque la presión y la temperatura son

directamente proporcionales.

c) ∆U= Q-W

∆U=Q

Q=400 J

∆U=Ub-Ua

Ub=Ua+400 J

Porque el trabajo en este sistema es igual a cero.

19.16 Un sistema se lleva del estado a al b por la tres trayectorias del a figura

ΔU = Q −W.W es el área bajo el camino en el pV. W > 0 cuando aumenta V. a) ¿por qué trayectoria el trabajo efectuado es máximo? ¿y menor?

El trabajo máximo se lo realiza a lo largo del área mas grande este es el camino 1. El menor trabajose hace a lo largo de camino 3.



) | |



b) Si Ub > Ua ¿por cuál trayectoria es mayor el valor absoluto ||de la transferencia de calor ¿

en esta trayectoria ¿el sistema absorbe o desprende calor?

W > 0 en todos los tres casosQ =ΔU +W, para Q> 0 para todos los tresQ es el más grande a lo largo de camino 1. Cuando Q> 0, el calor está absorto.

19.18.

Deduzca la información sobre Q y W de la declaración del problema y entonces aplique primero la

ley ΔU = Q −W , para inferiores si Q es positivo o negativo. Para el agua? T> 0, para que por Q = el

mc? el calor de T se ha agregado al agua. Así la energía de calor viene de la mezcla del

combustible-oxígeno ardiente, y Q para el sistema (el combustible y oxígeno) es negativo.

(b) el volumen Constante implica W = 0.

(c) La 1 ley (Eq.19.4) dice ΔU = Q –W ;Q <0, W = 0 para que por la 1 ley? U <0. La energía interior

de la mezcla del combustible-oxígeno disminuyó.

En este proceso se transfirió energía interior de la mezcla del combustible-oxígeno al agua,

mientras se esta elevando su temperatura.

19.19. Calentando agua a presión alta. Cuando el agua es calentada a una presión de 2 atm, elcalor de vaporización es 2.2 x 106 J/Kg y la temperatura a la que hierve es de 120ºC. A estapresión, 1 kg de agua tiene un volumen de 1 x 10-3 m3 y 1 kg de vapor tiene un volumen de 0.824m3. (a) Calcula el trabajo hecho cuando 1 kg de vapor es formado a esta temperatura. (b) Calcula

el incremento en energía interna del agua.Sabemos que:

0102.2 6

J Q

W QU

Ya que la energía va al agua:



P = 2 atm = 2 03 x 105 Pa



P = 2 atm = 2,03 x 10 Pa

Para un proceso a presión constante:

(a)

J W

W

V pW

5

35

1067.1

)101824.0)(1003.2(

(b)

J U

U

W QU

6

56

1003.2

1067.1102.2

19.20. Durante una compresión isotérmica de un gas ideal es preciso extraer 335J del calor al gas

para mantener la temperatura constante. Cuanto trabajo efectúa el gas durante el proceso?

a) J.1067.1)m1000.1mPa)(0.82410026.2( 53335 V p

J.10032J1067.1)kgJ10kg)(2.2000.1(

b)

656

v

.

W mLW QU

19.21. Un cilindro contiene 0.250 mol de dióxido de carbono (C0 2) el gas a una temperatura de

27.0 ° C. El cilindro está provisto de un pistón frictiouless, que mantiene una presión constantede 1,00 atm en el gas. El gas se calienta hasta que su temperatura aumenta a I27.0 ° C. Supongaque el CO 2 puede ser tratada como un gas ideal. (A) Dibuje un diagrama pV para este proceso.(B) ¿Cómo wolk se hace mucho por el gas en este proceso? (C) En lo que es este trabajo? (D)¿Quées el cambio de energía interna del gas? (E) ¿Cuánto calor se suministra al gas? (F) ¿Cuántotrabajo se hubiera hecho si la presión ha sido 0,50 atm? T

(a)



(b)

( c) El trabajo es hecho por el pistón

(d) 28,46)(100)=712 J

(e) ;

(f) La presión más baja que significaría un volumen proporcionalmente mayor, y el resultado netosería que el trabajo realizado sería el mismo que el que se encuentran en la parte (b).

19.22) Un cilindro contiene 0,0100 moles de helio a T=27⁰C

a) ¿Cuanto calor se requiere para elevar la temperatura a 67⁰C manteniendo constante el

volumen?

Q=nCv∆T

Q= (0,01)(12,47)(67-47)

Q=4,988 J

b) Si, en vez del volumen, se mantiene constante la presión del helio, ¿Cuánto calor se

requiere para elevar la temperatura de 27⁰C a 67⁰C? Dibuje una gráfica pV para este proceso.

Q=nCp∆T

Q= (0,01)(20,78)(67-47)

Q=8,312 J

c) ¿Qué explica la diferencia entre las respuestas a los incisos a) y b)? ¿En qué caso se

requiere más calor? ¿Cuánto cambia la energía interna en el inciso a? ¿y en el inciso b)? Compare

las respuestas y explique cualquier diferencia.

P1 2

V

Pc

V1 V2


http://slidepdf.com/reader/full/respuestas-capitulo-1-fisica-termodinamica-tipler 32/49Se requiere casi el doble de calor para elevar la temperatura cuando se trata de un proceso

i bá i d i ó i d t t d i t



isobárico que cuando es isocórico a pesar de tratarse de un mismo compuesto.

En el inciso a) la variación de energía interna es nula es decir toda el calor es almacenado por el

sistema.

19.23 En un experimento para simular las condiciones dentro de un motor de automóvil, 0.185

moles de aire a una temperatura de 780K y a una presión de Pa están contenidos en un

cilindro cuyo volumen es de 40.0 . después se transfieren 645J de calor al cilindro. a) si el

volumen se mantiene fijo. Qué temperatura alcanza el aire? b) calcule la temperatura final del

aire si se permite que el volumen del cilindro aumente mientras la presión se mantieCne

constante. Dibuje las gráfica pV para cada proceso.

a)

la presión la transformamos a atm= 29.62 atm. Como el volumen es constante W=0

Q=ΔU=645J Cv=20.76

Calculamos ΔT de la ecuación ΔU=nCvΔT

b) cuando volumen aumenta W= p (V2-V1) Cp= 29.07

Igualamos las dos ecuaciones y despejamos Tf

Tf = 900 K



19.24 un gas con comportamiento ideal se expande mientras la presión se mantiene constante.

Durante este proceso ¿entra calor al gas o sale de el? Justifique su respuesta.

En este proceso entra calor, porque para expandirse el gas necesita realizar un trabajo, es decir, es

un trabajo positivo, el cual se calcularía con la siguiente fórmula.

19.25) Fluye calor Q hacia un gas monoatómico con comportamiento ideal y el volumen

aumenta mientras la presión se mantiene constante.¿ Que fracción de la energía calorífica se

usa para efectuar el trabajo de expansión del gas?

R para un gas monoatómico

Para los gases diatómicos y poliatómicos, VC es un múltiplo diferente de la R y la fracción de Q que

se utiliza para el trabajo de expansión que se utiliza es diferente

19.26 cuando una cantidad de gas ideal monoatómico se expande a una presión constante de

4.00x104 para, el volumen del gas aumenta de 2.00x10 -3 m3 a 8.00x10-3 m3. ¿Cuánto cambia la

energía interna del gas?

ΔU = C ΔT

pΔV = nRΔT

Cv= para gases monoátomicos



600J de la energía térmica fluye hacia el gas. 240 J como trabajo

360 J permanece en el gas como un aumento en la energía interna

19.27 Un cilindro con un pistón móvil contiene 3.00 moles de N2 gaseoso ( que se comporta

como un gas ideal) a) El N2 se calienta a volumen constante hasta que se agregan 1557 j de

calor. Calcule el cambio de temperatura b) supongamos que la misma cantidad de calor se

agrega al N2, pero en este tiempo se permite al gas expandirse mientras se mantiene a presión

constante. Determiné el cambio de temperatura c) en cual caso a) b), la energía interna final deN2 es mayor? ¿Cómo lo sabe? ¿ que explica la diferencia entre ambos casos?

Para un proceso de volumen constante. Q=nCv∆T ,Para un proceso de presión constante. Q = nC∆T

Para cualquierproceso de un gas ideal. ΔU = nC ∆T

a) ∆T

b)

c)

18.28

A)

B)



C)

D)

19.29) La temperatura de 0.150 moles de gas ideal se mantiene constante en 77°C mientras suvolumen se reduce al 25% de su volumen inicial. La presión inicial del gas es de 1.25atm. a)Determine el trabajo efectuado por el gas. b) Determine el cambio de energía interna. c) El gasintercambia calor con su entorno, si lo hace cuanto es? El gas absorbe o desprende calor?

a)

b)

c)

Q es negativo ya que libera calor.

19.30. Propane gas (C 3 H,) behaves like an ideal gas with 'Y = 1.127. Determine the molar heat

capacity at constant volume and the molar heat capacity at constant pressure.



⁄ ⁄

⁄

19.31

Datos Resolucion

19.32 En un proceso adiabático con un gas ideal, la presión disminuye. ¿La energía interna del

gas aumenta o disminuye durante ese proceso? Explique su razonamiento.

Si consideramos que en un gas ideal El signo de la energía interna es igual al de la

temperatura, relacionamos esta ecuación con la del gas ideal obtenemos que la presión P igual

a la temperatura T

Como la presión es constante tenemos:

Si usamos la relación:

Tenemos:

Entonces:



Por lo tanto la temperatura y la energía interna son negativas, de lo cual se deduce que la energía

disminuye.



19.33. Un gas monoatómico con comportamiento ideal que está a una presión de 1.50 x 10

5

Pa yocupa un volumen de 0.08 m3 se comprime adiabáticamente a un volumen de 0.04 m3 a) Calcule

la presión final. b) ¿Cuánto trabajo efectúa el gas? c) Determine la razón temperatura final con

temperatura inicial del gas. ¿Esta compresión calienta o enfría el gas?

Proceso: adiabático

Gas ideal adiabático: ᵞ=5/3

a)

b)

c)

La compresión calienta el gas.

19.34. El motor de un automóvil deportivo Ferrari F355 admite aire a 20.0 °C y 1.00 atm y lo

comprime adiabáticamente a 0.0900 veces el volumen original. El aire se puede tratar como un

gas ideal con y=1.40. a) Dibuje una gráfica pV para este proceso. b) Calcule la temperatura y

presión finales.



Proceso adiabático:



19.35. Dos moles de monóxido de carbono (CO) están a una presión de 1,2 atm y ocupa unvolumen de 30 litros. Después el gas se comprime adiabáticamente a 1/3 de ese volumen.

Suponga que el gas tiene comportamiento ideal. ¿Cuánto cambia su energía interna?¿La energía

interna aumenta o disminuye?¿La temperatura del gas aumenta o disminuye durante el

proceso? Explique su respuesta.

Datos:P1=1,22 PaV1=0,03 m3 V2=0,01 m3 γ =1.40 Gas diatómico

La energía interna aumenta porque trabajo es realizado sobre el gas U>0 Y Q=0

La temperatura aumenta porque la energía interna aumentó durante el proceso.

19.36

P

V

100

50

30

J U

U

V P V P U

W U

3

5

10*05,5

)03,0)(22,1()01,0(10*68,54,0

1

)1122(1

1

Pa P

V

V P P

V

V

P

P

510*68,501.0

03,0)22,1(2

2

112

1

2

2

1



Asumimos que la expansión es adiabática.

Para el aire, ⁄

l l l f



El volumen para la esfera es .

a)

b)

19.37 Durante una expansión adiabática, la temperatura de 0.45 moles de Ar baja de 50°C a

10°C. el Argón puede tratarse como gas ideal a) Dibuje una grafica PV para este proceso b)

¿Cuánto trabajo realiza el gas? c) ¿Cuánto cambia la energía interna del gas?

a)

b) W = nCv∆T = (0.45mol)(12.47J/mol°K)(50° C- 10°C)W = 5.6115J/° C (40°C)

W = 224.46 J

d) Por ser un proceso adiabático Q = 0∆U = Q – W = 0 – 224.46J

∆U = -224.46 J

18.38

A)

B)

1) LA TEMPERATURA ES LA CONSTANTE



2)

3) Y=5/3



19.39 En un tibio día de verano, una masa grande de aire (presión atmosférica 1.01 x 10 5 Pa) se

calienta con el suelo a una temperatura de 26.0 °C y luego empieza a ascender por el aire

circundante más frío. (Éste puede tratarse aproximadamente como un proceso adiabático. ¿Por

qué?) Calcule la temperatura de la masa del aire cuando se ha elevado a un nivel donde la

presión atmosférica es de sólo 0.850 x 10 5 Pa. Suponga que el aire es un gas ideal con = 1.40.

(Esta tasa de enfriamiento con aire seco ascendente, que corresponde aproximadamente a 1° C

por 100m de altura, se denomina gradiente adiabático seco).

C T

K T x

x

p

pT T

p

nRT T

p

nRT T V T V T

p

nRT V

nRT pV

6.11

8.2841001.1

10850.015.299

2

2

4.1

4.0

5

51

1

212

2

2

1

1

2

22

1

11

19.40. La figura 19.25 muestra la gráfica pV para una expansión isotérmica de 1.50 moles de un

gas ideal, a una temperatura de 15°C. a) ¿Cuál es el cambio en la Energía interna del gas?

Explique su respuesta, b) Calcule el trabajo efectuado por el gas (o sobre éste) y el calor

absorbido (o liberado) por el gas durante la expansión.

W=nRTln (V2/V1) =nRTln (P1/P2)

T = 288.15 K.(P1/P2)=(V2/V1)= 2.00

a) ΔU = 0 ΔT = 0.b) W = (1.50 mol)(8.314 J/mol ⋅K)(288.15 K)ln(2.00) = 2.49×103 J. W > 0

ΔU = 0, Q =W = +2.49×10 3J.

19.41. A quantity of air is taken from state a to state b along a path that is a straight line in the

pV-diagram (Fig. 19.26). (a) In this process, does the temperature of the gas increase, decrease,

or stay the same? Explain. (b) If Va = O.0700 m3, Vb = O.1100 m3, Pa = 1.00 x 105 Pa, and Pb = 1.40

Respuestas Capitulo 1 Fisica Termodinamica Tipler

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