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TERMODINÁMICA Y SUS LEYES , CICLO DE CARNOT EJERCICIOS RESUELTOS EN PDF Y VIDEOS

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La termodinámica trata acerca de la transformación de energía térmica en energía mecánica y el proceso inverso, la conversión de trabajo en calor. Puesto que casi toda la energía disponible de la materia prima se libera en forma de calor, resulta fácil advertir por qué la termodinámica juega un papel tan importante en la ciencia y la tecnología.
En este capítulo se estudiarán dos leyes básicas que deben obedecerse cuando se utiliza energía térmica para realizar trabajo. La primera ley es simplemente volver a postular el principio de la conservación de la energía. La segunda ley impone restricciones sobre el uso eficiente de la energía disponible.
TERMODINÁMICA
Es la ciencia que analiza las leyes de las transformaciones de la energía y el estudio de las propiedades de las sustancias involucradas.
La termodinámica se desarrolla en base a cuatro leyes naturales ó axiomáticas fundamentales:
La Ley Cero ó tendencia al equilibrio térmico en forma espontánea cuando existen cuerpos o zonas con diferente temperatura.
La Primera Ley, plantea el análisis cuantitativo de la transferencia de energía, estableciendo que la energía no se crea ni se destruye, únicamente se transforma.
La Segunda Ley, analiza cualitativamente la posibilidad de realizar un proceso termodinámico y sus limitaciones, para lo cual se plantea el ciclo ideal de Carnot y su eficiencia restringida, así mismo impone el concepto de ENTROPÍA.
La Tercera Ley , planteada por Max Planck en 1912, establece que: ‘‘La Entropía de una sustancia pura en equilibrio Termodinámico, es igual a cero, en el cero absoluto de temperatura’’.
Esta Ley de gran trascendencia en la Ingeniería, dada las limitaciones presentes del lector, no será desarrollada en esta obra.
SISTEMA TERMODINÁMICo
Es una porción definida de materia macroscópica limitada por una superficie cerrada real o imaginaria capaz de interaccionar con su medio exterior por lo menos de dos formas, una de las cuales ha de ser la transferencia de calor.
Ejemplos:
* El gas contenido en un recipiente.
* Cierta cantidad de líquido en una tubería.
* La gasolina que explota en el cilindro de una máquina.
La región no incluida en el sistema constituye el exterior o medio ambiente. Si el sistema no intercambia energía con el exterior, se denomina sistema termodinámico aislado.
* En este caso particular nuestro sistema aislado será el gas ideal contenido en el recipiente, cuyo volumen es variable.

Indicar cuál de las siguientes afirmaciones es correcta:
A)La variación de la energía interna de un gas ideal depende sólo del proceso termodinámico experimentado.
B) La variación de la energía interna de una masa determinada de gas ideal sólo depende de su variación de temperatura.
C)El calor que un gas ideal gana no depende del proceso termodinámico experimentado.
D)El trabajo realizado por un gas ideal no depende del proceso termodinámico experimentado.
E)En un proceso isométrico la variación de la energía interna de un gas es igual al trabajo que realiza
En un proceso isócoro (Volumen=cte) puede ocurrir que:
I)El sistema reciba calor y la energía interna aumente.
II) El sistema cede calor y la energía interna disminuye.
A)Sólo I B)Sólo II C)I y II
Un sistema termodinámico pierde una cantidad de calor equivalente a 200 Joule, mientras efectúa un trabajo de 100 Joule. Calcular la variación de su energía interna en Joules.
A)100 B)–300 C)–100
D)300 E)200
Un gas ideal se expande isobáricamente de 1000 cm3 a 1500 cm3 a una presión de 105 N/m2. Si se le entregaron 75 J de calor. Hallar el incremento de la energía interna del gas.
A)5J B)15 C)25
D)50 E)75
Para calentar cierta cantidad de gas de 20°C hasta 100°C se requieren 400 cal siempre que su volumen permanezca constante. ¿Cuánto aumentará su energía interna en el proceso?
A)200cal B)400 C)500
D)350 E)250
En un ciclo Carnot, la dilatación isotérmica ocurre a 400K y la compresión isotérmica a 300K. Durante la dilatación se comunica 500cal de energía calorífica . Luego el trabajo realizado por el gas durante la expansión isotérmica y la eficiencia de ciclo, son:
A)524J ; 25% B)500,00J ; 40% C)3420J ; 25% D)2093J ; 25%
E)1860J ; 30%
Un motor que funciona con el ciclo de Carnot tiene su foco caliente a 127°C, toma 100cal a esta temperatura de cada ciclo , y cede 80 cal al foco frío. Calcular la temperatura de este depósito.
A)50°C B)197K C)320K
Un mol de cierto gas ideal fue calentado isobáricamente en 72,17 K comunicándole una cantidad de calor de 1600J. ¿Cuál es el incremento de energía interna del gas? R=8,314 J/mol K.
A)2kJ B)1 C)3
D)300 E)200
En un determinado proceso, se suministran a un sistema 50 000 cal y simultáneamente el sistema se expande contra una presión exterior de 7,2×105 Pascales. La energia interna del sistema es la misma al comienzo que al final del proceso . Determinar el incremento de volumen del sistema .
A)0,78m3 B)0,29m3 C)0,12m3
D)0,68m3 E)2,00m3
Una máquina térmica ideal de gas opera en un ciclo de Carnot entre 227°C y 127°C, absorve 60000 cal a la temperatura mayor. ¿Qué cantidad de trabajo es capaz de ejecutar, por ciclo, esta máquina
A)50 000J B)60 450J
C)62 790J D)50 232J
E)20 000J
El gráfico representa el volumen de un gas ideal en función de su temperatura a, presión constante de 3N/m2. Si durante la transformación de A hacia B el gas absorvió 5 calorías. ¿Cuál fue la variación de su energía interna?

A)2J B)2cal C)17,93J
D)17,93 cal E)4J
Dos moles de un gas ideal en un cilindro con un pistón, es comprimido adiabáticamente. La fuerza de comprensión realiza 4157 J de trabajo en contra del gas, si
A)150°C B)200°C C)180°C
D)100°C E)180K
A dos moles de un gas ideal que se encontraba a la temperatura de T0=300K se le enfrío lsócoricamente, como resultado de lo cual su presión se redujo a la mitad . Luego el gas fue expandido isobáricamente hasta que su temperatura llegó a ser igual a la inicial. Hallar la cantidad neta de calor transferida al gas en este proceso.
A)100 cal B)300 C)600
D)900 E)500
Un gas ideal realiza un ciclo de Carnot. Hallar el rendimiento del ciclo si durante la expansión adiabática la presión disminuye a la octava parte, el gas posee un coeficiente adiabático .
A)0,2 B)0,5 C)0,6
D)0,4 E)1,2
Un gas ideal está encerrado por un pistón listo cuya sección es de 0,3m2 si el gas se extiende de manera que el pistón avanza 8cm y el ventilador proporciona un trabajo de 0,8 kJ, encuentre el trabajo neto. P0=105N/m2

A)1,6kJ B)1,2 C)1,0
D)0,5 E)3,2
Diga, si cada una de las siguientes afirmaciones es correcta o no :
I)La temperatura es proporcional a la cantidad de energía calorífica que tiene un cuerpo.
II)La temperatura es directamente proporcional al valor promedio de la energía cinética de las moléculas.
III)La velocidad promedio de las moléculas es directamente proporcional a la temperatura.
A)Sólo I es correcta.
B)Sólo II es correcta.
C)Sólo III es correcta.
D)Sólo I y II son correctas.
E)Sólo I y III son correctas.
Un gas ideal realiza un ciclo de Carnot. La expansión isotérmica ocurre a 250°C y la comprensión isotérmica tiene lugar a 50°C.
Si el gas absorbe 1200J de calor durante la expansión isotérmica, entonces , el trabajo neto, en Joules realizado por el gas en cada ciclo es:(no concidere decimales).
A)629 B)539 C)489
D)459 E)369
En un recipiente hermético de capacidad V=11,2 dm3 hay aire a la presión P=105 Pa. ¿Qué cantidad de calor es necesario comunicar al aire para que la presión en el recipiente se triplique?
La capacidad calorífica molar del aire a volumen constante es

C v= 21J /(moI.K) .
A)5470 J B)6480 J C)3400J
D)2800 J E)7600J
En un cilindro de sección S=250cm2 hay m=10g de nitrógeno comprimido por un émbolo sobre el cual descansa una pesa de masa M=12,5kg. ¿Qué trabajo realizará este gas si se calienta desde t1 = 25°C hasta t2 = 625°C.
La presión atmosférica PO=105 Pa.
A)1616 J B)1715 J C)1817 J
D)1980 J E)1650 J
En la figura, se representan dos ciclos cerrados 1-2-3-1 y 1-3-4-1. Ambos ciclos han sido realizados por un gas perfecto monoatónico. ¿Cuál de los ciclos tiene mayor rendimiento y cuántas veces es éste mayor?

A)h2/h1=23/21 B)h2/h1=21/7 C)h2/h1=41/23 D)h2/h1=2
E)h2/h1=7
En un recipiente térmicamente aislado, se ha practicado un vacío profundo. Este recipiente está rodeado por un gas perfecto monoatómico cuya temperatura es To . En cierto instante, se abre una lIave y el recipiente se llena de gas. ¿Qué temperatura T tendrá el gas en el recipiente después de que éste se haya llenado?
A)9TO/7 B)7TO/3 C)TO/3
D)5TO/3 E)TO
En un volumen rarificado está colocado verticalmente un recipiente cilíndrico, cerrado por arriba con un émbolo móvil de masa M. Dentro del recipiente, se encuentra un gas monoatómico a presión P. La sección interna del cilindro es S, la altura del volumen dentro del que se halla el gas H. El émbolo se deja libre. Después de unas vibraciones de corta duración el émbolo se para. ¿A qué distancia respecto a la posición inicial se parará el émbolo, si la capacidad calorífica del gas a volumen constante es mucho mayor que la capacidad calorífica del émbolo y cilindro? Todo el sistema está termoaislado del espacio circundante. Si : Mg = 2 PS.

En un tubo estrecho vertical de longitud 2L el extremo inferior está soldado y el superior está abierto, comunicándose con la atmósfera. En la mitad inferior del tubo se encuentra cierto gas a temperatura To ‘ mientras que la mitad superior hasta el tope está ocupada por mercurio. ¿Hasta qué temperatura mínima es necesario calentar el gas en el tubo para que aquél desplace todo el mercurio?
La presión exterior (en mm de la columna de Hg) es igual a L.
Menospreciar la tensión superficial.

Calcular en el trabajo en joules que realiza un gas ideal cuando se calienta isobáricamente desde los 27°C hasta 87°C, si se encuentra dentro de un recipiente cerrado por un émbolo móvil. El volumen inicial es de 5 litros y la presión atmosférica es 1,033 kg-f/cm2.
A)11,4 B)112,4 C)103,3
D)140 E)0
Un gas ideal se encuentra en un recipiente cerrado. La presión del gas aumenta en un 0,4% al calentar el gas en 1°C.
La temperatura inicial del gas era :
A)0,250°C B)125°C C)250°C
D)F.D. E)2,50°C
La presión de vapor de agua en aire saturado se representa por la ecuación Ps = ae –b/T, donde a, b, son constantes y T es la temperatura absoluta. El gráfico que corresponde es:

Un mol de un gas monoatómico ideal se somete al ciclo que se muestra en figura . El proceso AB es una expansión isotérmica reversible. Determinar la eficiencia del ciclo.

A)12,4% B)16,4% C)20,2%
D)28,8% E)32,8%
Un mol de gas monoatómico para el cual describe el ciclo ‘‘abc’’ que se muestra en la figura. La transformación ‘‘bc’’ es una expansión adiabática reversible. Considerando que :

Pb = 10 atm; Vb=2m3, y Vc= 4m3.
Determinar la eficiencia del ciclo.

A)10% B)15% C)16,3%
D)23,6% E)31,2%
Un cilindro ABC D, cerrado por arriba y abierto por abajo, se fija a la pared de la piscina que está llena de agua. En la parte superior del cilindro KBCM se encuentra 1 mol de helio separado del agua mediante el émbolo (BK=2h). El helio se calienta haciendo circular cierta corriente por la espiral. El helio se calienta haciendo circular cierta corriente por la espiral. ¿Qué cantidad de calor es necesario suministrarle al gas para que el émbolo descienda a la distancia h(AK > h)?
Menospreciar la masa del émbolo, la fricción y la conductibilidad térmica. La piscina es ancha, la densidad del agua es y la sección del recipiente S.

Un gas ideal experimenta un ciclo que se muestra en la figura. Determinar la eficiencia del ciclo.

Respecto a las siguientes afirmaciones:
I) Muestras diferentes de un mismo material tienen la misma capacidad calorífica.
II)En el diagrama de la figura correspondiente a un gas ideal, la energía interna en 1 es mayor que en 2.
III)En el mismo diagrama, el trabajo total en el ciclo es positivo.
Se puede decir que :

A)Sólo I es correcta.
B)Sólo II es correcta.
C)Sólo I y III son correctas.
D)Sólo I y II son correctas.

Una botella con volumen de se llena de aire a 27°C hasta obtener la presión de 10 MPa. ¿Qué volumen de agua se podrá desalojar de la cisterna de un submarino mediante el aire de dicha botella, si el desplazamiento se efectúa a una profundidad de 40 m?
La temperatura del aire después de la expansión es de 3°C.

¿Por qué la bombilla eléctrica se llena con gas inerte que posee una presión bastante menor que la atmosférica?
A)En el régimen de funcionamiento se enfría.
B)En el régimen de funcionamiento no se altera.
C)No se puede saber que ocurre.
D)En el régimen de funcionamiento se calienta, su presión no debe superar a la atmósfera.
E)En el régimen de funcionamiento se calienta, su presión debe superar a la atmosférica.
El termómetro de gases consta de dos recipientes idénticos con gas de volumen Vo cada uno, unidos por un tubo de longitud ‘‘ l’’ y sección S. Una gota de mercurio obstruye el tubo. Si las temperaturas de los gases en los volúmenes son iguales, el mercurio se encontrará en el centro del tubo. El volumen derecho se coloca en un termostato con temperatura To’ Graduar el termómetro, buscando la dependencia entre la temperatura del gas en el volumen izquierdo y el desplazamiento ‘‘x’’ del mercurio con respecto a la posición de equilibrio.

En un cilindro, bajo el émbolo, cuya área S= 100 cm2, se encuentra m = 28 g de nitrógeno a la temperatura t1 = 100° C .
Al émbolo, por medio de un sistema de poleas, está colgada una pesa de masa M=50 kg. El Cilindro se enfría hasta t2=0° C . ¿A qué altura se elevará la pesa?
La presión atmosférica Po = 105 Pa. La masa del émbolo se despresia.

A)120cm B)136cm C)164cm
Un mol de gas perfecto monoatómico se hace pasar del estado inicial, con temperatura T=300 K, a un estado en el cual su temperatura es tres veces mayor y su volumen dos veces menor. Hallar la cantidad de calor suministrada al gas. Se sabe que de todas las vías de transición del gas del estado inicial al final, en que la presión no desciende más abajo de la inicial, se eligió aquélla en la cual sobre el gas se realiza el trabajo mínimo
A)3245 J B)6225 J C)7425 J
Unos recipientes, cuyas capacidades son V1 = 200 cm3 y V2 = 100 cm3, se comunican entre sí por un tubo corto en el cual hay un tabique termoaislante poroso. Mediante este tabique se establecen presiones iguales en los recipientes. El sistema se halla a la temperatura to = 27°C y contiene gas a la presión Po= 105 Pa.
¿Qué presión se establecerá en dicho sistema si el recipiente menor se introduce en hielo a la temperatura t2=0° C y la mayor, en vapor a la temperatura t1 = 100°C? .Despreciar la dilatación de los recipientes
A)6×104Pa B)8×104Pa
C)9×104Pa D)11×104Pa
Un cilindro vertical está dividido en dos partes iguales por un émbolo pesado termoaislante que puede deslizarse sin rozamiento. En la mitad superior del cilindro hay hidrógeno a la temperatura T y la presión P, y en la parte inferior, oxígeno a la temperatura 2T. Si el cilindro se invierte, para que el émbolo siga dividiendo el cilindro en dos partes iguales, hay que enfriar el oxígeno hasta la temperatura T/2. La temperatura del hidrógeno sigue siendo la misma que antes (T). Determinar la presión del oxígeno en los casos primero y segundo.
A)4P/5,6P/5 B)6P/5, P/5
C)7P/5,3P/5 D)P/5,9P/5
E)8P/5,2P/5
Un recipiente rígido contiene 4 moles de un gas ideal a la presion de 2 bar y a la temperatura de 27°C. Se le transfiere calor al gas hasta que su temperatura sea 127°C. El recipiente está proviso de una válvula de seguridad ,que deja escapar gas, para mantener la presión constante. Determinar el número de moles de gas que han escapado.
A)0 B)Todas las moles escapan
C)3 D)2 E)1