Problemas y ejercicios resueltos de Termologia y Termotecnia

Enunciado 1

Para un fluido y otros materiales simples, la presión p, el volumen V y la temperatura empírica t son posibles variables . Estas variables están conectadas mediante una ecuación llamada de estado, de manera que solo dos son independientes. Un incremento de calor suministrado al sistema de forma cuasiestática se puede expresar como :

Donde los coeficientes son funciones características del fluido. El término temperatura empírica se refiere a una escala arbitraria y se usa para distinguirlo de la temperatura absoluta. Demostrar que :

Expresar con palabras los significados físicos de los coeficientes de la expresión (1) para

Enunciado 2

La primera ley de la termodinámica establece la existencia de una función de estado llamada energía interna "U", de modo que para un fluido o material análogo, tenemos :

a) mostrar que

es una diferencial inexacta. b) Probar que la razón de Grüneisen,

, con

, C_v la capacidad calorífica a volumen constante y V el volumen, es :

c) Encontrar la ecuación de estado mas general para un fluido en el que la razón de Grüneisen sea independiente de la presión.

Enunciado 3

El coeficiente de expansión térmica

y la compresibilidad K_T de una sustancia se definen de la siguiente manera :

Experimentalmente se encuentra que, para un cierto gas :

donde a y b son constantes, y además se sabe que el gas se comporta como un gas ideal para grandes valores de T y V. Hallar la ecuación de estado de dicho gas.

Enunciado 4

Consideremos la atmósfera terrestre como un gas ideal de peso molecular

en un campo gravitatorio uniforme de intensidad g constante. a) si z designa la altura sobre el nivel del mar, demostrar que la variación de la presión atmosférica p con la altura viene dada por :

siendo T la temperatura absoluta a la altura z.

b) si la disminución de la presión en a) se debe a una expansión adiabática, demostrar que :

c)A partir de a) y b), calcular dT/dz en grados por kilómetro. Suponer que la atmósfera está compuesta en su mayor parte de N₂, en cuyo caso, el valor para el índice adiabático,

, es 1,4.

d) En una atmósfera isotérmica a temperatura T, expresar la presión p a la altura z, en función de la presión a la altura z = 0.

e) Si T₀ es la temperatura al nivel del mar, determinar p para una atmósfera adiabática como en b).

Enunciado 5

Un gas ideal en el que C_v = 5.n.R/2 es trasladado del punto "a" al punto "b" Siguiendo los caminos acb, adb y ab, la presión y el volumen finales son P₂ = 2P₁ y V₂ = 2V₁. a) Calcular el calor suministrado al gas, en función de n, R y T₁ en cada proceso. b) Cual es la capacidad calorífica en función de R para el proceso ab.

Enunciado 6

Un método de medida del coeficiente adiabático ,

, = C_p/C_v es el que sigue : un gas (ideal) está contenido en un recipiente cilíndrico vertical y soporta un émbolo de masa m. Embolo y cilindro tienen la misma sección transversal A. La presión atmosférica es p₀ y el volumen ocupado por el gas cuando la gravedad y la presión del gas se equilibran es V₀. Cuando desplazamos ligeramente el émbolo de su posición de equilibrio, oscila alrededor de ella con frecuencia v.

Las oscilaciones del émbolo son lo suficientemente lentas como para que el gas permanezca siempre en equilibrio y lo suficientemente rápidas como para que no intercambie calor con el exterior. Expresar

en función de los parámetros del problema.

Enunciado 7

En un intervalo de temperatura en la proximidad de la temperatura absoluta T, la fuerza tensora en una varilla plástica
estirada está relacionada con la longitud por la expresión :

en la que a y Lo son constantes positivas, Lo es la longitud de la varilla sin estirar. Para L = Lo la capacidad calorífica CL de la varilla (medida a longitud constante) viene dada por la relación CL = b.T, donde b es una constante.

Enunciado 8

Se pone en contacto un kilogramo de agua a 273 ºK con un foco calorífico a 373 ºK. Cuando el agua ha alcanzado la temperatura de 373 ºK, ¿cuál será el cambio de entropía del agua, del foco calorífico y del universo.

Si se hubiese calentado el agua poniéndola primero en contacto con un foco a 323 ºK y después con otro a 373 ºK, ¿cuál habría sido el cambio de entropía del universo?

Explíquese como podría calentarse el agua de 273 ºK a 373 ºK sin ocasionar apenas cambio de entropía en el universo.

Enunciado 9

Dos cuerpos idénticos de capacidad calorífica constante y cuyas temperaturas respectivas T1 y T2 se utilizan como focos caloríficos de un motor térmico. Si los cuerpos permanecen a presión constante y no experimentan cambios de fase, demuéstrese que la cantidad de trabajo obtenible es:

donde T_f es la temperatura final alcanzada por ambos cuerpos.
Demuéstrese que cuando W es máximo se cumple :

Enunciado 10

La función de Gibbs para un gas no ideal es :

donde a y b son constantes y f una función de T solamente. Hallar la ecuación de estado y demostrar que coincide con la
ecuación de Van der Walls si se desprecian términos de segundo orden en a y b.

Calcular la capacidad calorífica a presión constante.

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PROBLEMAS Y EJERCICIOS RESUELTOS DE TERMOLOGÍA y TERMOTECNIA