EjerciciosFyQ

Burbuja liberada por un buzo que asciende a la superficie (6395)

F_y_Q — 2020-04-01T21:18:11Z

Un buzo libera una burbuja (esférica) de aire de 3.6 cm de diámetro desde el fondo de un lago de 14 m de profundidad. Supón que la temperatura es constante e igual a 298 K y que el aire se comporta como un gas ideal.

a) ¿De qué tamaño es la burbuja cuando alcanza la superficie.

b) Dibuja el diagrama P-V para el proceso

c) Aplicando la primera ley de la termodinámica a la burbuja, determina el trabajo que realiza el aire al elevarse a la superficie, el cambio de energía interna y el calor agregado o eliminado del aire de la burbuja conforme se eleva.

El volumen de la burbuja es:

Ahora debes calcular los moles de aire que contiene la burbuja cuando es liberada. La presión total a la que está sumergida la burbuja es 2.4 atm (1.4 atm de presión hidrostática + 1 atm del aire):

a) Como el ascenso de la burbuja es isotérmico, podemos aplicar la ley de Boyle para calcular el tamaño de la burbuja en la superficie:

El radio que corresponde a ese volumen es:

b) El diagrama sigue la forma de la siguiente curva:

c) Como la presión no es constante, el trabajo de expansión de la burbuja es igual a:

Al ser un proceso isotérmico, la variación de la energía interna es nula () y, por lo tanto, el calor será igual que el trabajo pero cambiado de signo.

Análisis termodinámico de un proceso de combustión en un pistón

F_y_Q — 2019-10-25T06:12:09Z

Una empresa automotriz está realizando algunos ensayos con los nuevos diseños de motor que lanzará al mercado el próximo año. En uno de estos ensayos se trabajó con una mezcla de aire y gasolina encerrados en un cilindro provisto de un pistón móvil. El volumen inicial de la mezcla gaseosa fue . En un momento se provocó la reacción de combustión en el interior de un cilindro que liberó 950 J de energía. La mezcla gaseosa se expandió contra la presión constante de 650 mm Hg y las condiciones del ensayo fueron tales que toda la energía liberada por la combustión se convirtió en trabajo para empujar el pistón móvil.

a) El calor liberado por la combustión, ¿corresponde al o al del proceso? Justifica tu respuesta.

b) ¿Cuáles fueron las condiciones del ensayo, isotérmico, isobárico, isocórico o adiabático? Justifica tu respuesta.

c) Calcula el volumen final de la mezcla gaseosa ().

d) Representa el proceso en un diagrama P versus V y sombrea el área correspondiente al trabajo realizado. ¿Este trabajo es hecho por o sobre el sistema?

a) Se trata de variación de entalpía, , porque el calor producido es a presión constante.
b) Es un proceso adiabático porque toda la energía se convierte en trabajo, es decir, el término Q en la primera ley de la Termodinámica es cero. También es un proceso isobárico porque la presión es constante.
c) Como la energía liberada por el sistema se convierte en trabajo mecánico:

Debemos tener cuidado con las unidades y hacer los cambios oportunos para lograr que la ecuación sea homogénea:

d) La representación tiene la forma que puedes ver en la imagen (clica sobre la miniatura para verla mejor):

Calentamiento a volumen constante de un gas (5423)

F_y_Q — 2019-07-15T12:48:06Z

Un frasco contiene 120 g de nitrógeno a 3 atm de presión y de temperatura. Se le calienta manteniendo el volumen constante, hasta alcanzar la temperatura de . Calcula:

a) El calor suministrado.

b) El trabajo realizado.

c) El incremento de energía interna.

d) La presión final.

Dato:

En primer lugar debes convertir las temperaturas dadas en escala absoluta porque te será de utilidad en el último paso del ejercicio.

a) El calor que se suministra para el calentamiento es:

b) Como el proceso ocurre a volumen constante y el trabajo mecánico es el producto de la presión por la variación del volumen, el trabajo será nulo:

c) La variación de la energía interna se define como:

d) La presión final se puede obtener a partir de la ley de Gay-Lussac:

Volumen final de un gas que se expande a presión constante (5330)

F_y_Q — 2019-06-26T17:40:48Z

Un gas se expande realizando un trabajo de a una presión constante de . Si el gas ocupa inicialmente un volumen de , ¿cuál será su volumen final?

El trabajo de expansión es:

Despejas la variación del volumen y sustituyes:

El volumen final será:

Trabajo por unidad de masa de una bomba de agua (5319)

F_y_Q — 2019-06-23T08:33:21Z

Una bomba succiona agua a una presión de 1 bar y la descarga a 8 bar. Despreciando los cambios de densidad, velocidad y altura del agua, estima el trabajo por unidad de masa requerido. Supón que el proceso se desarrolla sin fricción y que la densidad del agua es de

El trabajo que va a hacer la bomba será el producto de la diferencia de presión a la que trabaja por el volumen de agua que succiona, es decir:

Puedes escribir el volumen de agua en función de su masa y su densidad:

Si sustituyes en la ecuación anterior y haces el trabajo por unidad de masa:

Haces un cambio de unidades para expresar el resultado en unidades del Sistema Internacional:

Trabajo de expansión isotérmica de un gas (5305)

F_y_Q — 2019-06-20T06:18:40Z

Un recipiente contiene 525 libras de nitrógeno ocupando un volumen de 50 litros a una presión de 8 bar. Se expande isotérmicamente hasta que ocupe un volumen doble. Calcula:

a) La presión final.

b) La variación de la energía interna.

c) El trabajo realizado.

La masa de nitrógeno, expresada en gramos, es:

La temperatura a la que está el gas, y que permanece constante, la puedes obtener de las condiciones iniciales del gas:

a) La presión final la puedes obtener a partir de la ley de Boyle:

b) La variación de la energía interna es CERO por ser una expansión isotérmica.

c) El trabajo de expansión, cuando la temperatura permanece constante es:

Sustituyendo los datos, pero empleando el valor de R en el Sistema Internacional ():

Variación de energía interna en contracción de sistema 0001

F_y_Q — 2016-12-31T07:32:27Z

Cuando 5 L de cierto gas se contraen un $30\%$ de su volumen inicial ceden 300 J a los alrededores. Sabiendo que el proceso es a una presión constante de 1 atm, ¿cuál será la variación de la energía interna del sistema?

Debemos aplicar el Primer Principio de la Termodinámica pero teniendo cuidado con las unidades y con el criterio de signos: :

Aplicación de la Primera Ley de la Termodinámica (2794)

F_y_Q — 2014-11-08T06:41:24Z

¿Cuál es el cambio de energía interna de un sistema que recibe 120 kJ de calor y realiza 80 kJ de trabajo?

Aplicando la Primera Ley de la Termodinámica:

La clave está en el criterio de signos. Cuando el sistema proporciona calor o trabajo lo debes considerar con signo negativo, mientras que si debes aportar calor o trabajo al sistema lo tomas con signo positivo.

Problema de aplicación de la primera ley de la termodinámica (448)

F_y_Q — 2010-02-16T22:54:36Z

En la descomposición térmica de la calcita a y bajo una presión de una atmósfera, 175 kJ son absorbidos por mol de carbonato de calcio descompuesto. Calcula la variación de energía interna del sistema.

Dato:

La reacción de la descomposición térmica del carbonato de calcio es:

[Q] CaO(s) + CO2(g)}}" title="\color[RGB]{0,112,192}{\textbf{\ce{CaCO3(s) ->[Q] CaO(s) + CO2(g)}}" />

La relación entre la entalpía y la energía interna del proceso que tiene lugar sigue la ecuación:

La variación en los moles gaseosos del sistema es 1, que son los moles de gas que se producen, por lo que solo tienes que sustituir y calcular para la temperatura dada, cuidando de expresar el resultado en kJ:

La energía interna del sistema es:

Variación de la energía interna en un motor que quema gasolina (447)

F_y_Q — 2010-02-16T22:44:57Z

Cuando se quema una mezcla de gasolina y aire en un cilindro de un motor de explosión, se liberan 104 kJ. Si los gases producidos en la reacción de combustión mueven el pistón realizando un trabajo de 42 kJ, calcula la variación de energía interna que se produce en el proceso.

Tanto el trabajo como el calor son realizado y aportado por el sistema a los alrededores, por lo que los debes considerar negativos. Al aplicar la primera lay de la termodinámica tienes: