PROBLEMAS RESUELTOS
- TERMODINÁMICA
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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 :
Expresar con palabras los significados físicos de los coeficientes de la expresión (1) para δQ 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 :
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 αp y la compresibilidad KT de una sustancia se definen de la siguiente manera :
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 μ 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 N 2 , en cuyo caso, el valor para el índice adiabático, γ , 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 T 0 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 P 2 = 2P 1 y V 2 = 2V 1 .
a) Calcular el calor suministrado al gas, en función de n, R y T 1 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 , γ , = 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 p 0 y el volumen ocupado por el gas cuando la gravedad y la presión del gas se equilibran es V 0 . 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 γ en función de los parámetros del problema.
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 :
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.
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 :
-
δQ = Cvdt + lvdV = Cpdt + lpdp
= mvdV + mpdp (1)
Expresar con palabras los significados físicos de los coeficientes de la expresión (1) para δQ 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 :
-
δQ = dU + pdV
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 αp y la compresibilidad KT de una sustancia se definen de la siguiente manera :
-
αp = (1/V)(∂V/∂T)p ;
KT = - (1/V)(∂V/∂p)T
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 μ 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 N 2 , en cuyo caso, el valor para el índice adiabático, γ , 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 T 0 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 P 2 = 2P 1 y V 2 = 2V 1 .
a) Calcular el calor suministrado al gas, en función de n, R y T 1 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 , γ , = 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 p 0 y el volumen ocupado por el gas cuando la gravedad y la presión del gas se equilibran es V 0 . 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 γ en función de los parámetros del problema.
Ver SoluciónEnunciado 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 :
-
F = a·T2 (L - L0)
a) Escribir la relación termodinámica fundamental para este sistema, expresando dS en función de dU y dL.
b) La entropía S(T, L) de la varilla es una función de T y L. Calcular la expresión :
(∂S / ∂L)T
c) conociendo S(To, Lo) determinar S(T, L) a cualquier temperatura T y longitud L. (Es mas conveniente calcular primero la variación de la entropía con la temperatura a la longitud Lo a la que se conoce la capacidad calorífica).
d) Si se parte de L = Li y T = Ti y se ejerce una tracción sobre la varilla, térmicamente aislada, cuasiestáticamente hasta alcanzar la longitud Lf ¿cuál será la temperatura final Tf?. ¿Es mayor o menor Tf que Ti?.
e) Calcular la capacidad calorífica CL(L, T) de la varilla cuando la longitud es L en lugar de Lo.
f) Calcular S(T, L) escribiendo :
S(T, L) – S(To, Lo) = [S(T, L) – S(To, L)] + [S(To, L) – S(To, Lo)]Y utilizando el resultado del apartado e), calcular el primer término entre corchetes. Comprobar que el resultado obtenido concuerda con el obtenido en c).
Ver Solución
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.
Ver Solución
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