LEYES DE LA TERMODINAMICA

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 al inflar 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 además el 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 ingiere alimentos, 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 es mayor, 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, y CP 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 o perdido 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 aire dentro 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 la temperatura corporal y al dejarlo salir sin inconvenientes por la boca abierta, es aire caliente. Con solo 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 por una 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 efecto Venturi. Y si la energía cinética, que viene determinada por la velocidad, aumenta, la energía determinada por el valor de la presión ha de disminuir forzosamente, según el teorema de conservación 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 la distancia entre sus moléculas es mayor y su energía se diluye en un mayor volumen. Por tanto, el aire 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 la envoltura 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 al comprimirse? ¿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 variar la temperatura del aire y su humedad relativa. El calentamiento y enfriamiento adiabático son procesos que comúnmente ocurren debido al cambio en la presión de un gas.

19.17

Cuando el trabajo se realiza sobre

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