PROBLEMAS PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA Nivel básico 1. Si se adicionan 400kcal a un gas que se expande y realiza 800 kJ de trabajo, ¿Cuál es la variación de la energía interna del gas? Respuesta: 874 kJ 2. Una bala de plomo inicialmente a 30°C se funde al golpear un blanco. Suponiendo que toda la energía cinética inicial de la bala se convierte en energía interna de la misma para elevar su temperatura y fundirla, calcular su velocidad en el momento del impacto. Respuesta: 354 m/s
3. Una cantidad de aire se lleva del estado a al b siguiendo una trayectoria recta en una 3 3 5 gráfica pV. Si Va = 0,0700 m , V b = 0,1100 m , Pa = 1,00 x l0 Pa y Pb = 1,40 x l0 5 Pa, ¿cuánto trabajo efectúa el gas en este proceso. Suponga que el gas tiene comportamiento ideal. Respuesta: 400 J.
4. Un gas ideal inicialmente a P i, V i y T i se lleva a través de un ciclo, como se muestra en la figura a) Encuentre el trabajo neto consumido en el gas por cada ciclo. b) ¿Cuál es la energía neta agregada por calor al sistema por cada ciclo? c) Obtenga un valor numérico para el trabajo neto consumido por cada ciclo por 1 mol de gas inicialmente a 0°C. Respuesta: (a) -4PiVi; (b) 4PiVi ; (c) 9,08 kJ.
5. Un sistema se lleva del estado a al b por las tres trayectorias de la figura a) ¿Por qué trayectoria el trabajo efectuado por el sistema es máximo? ¿Y menor? b) Si U b > U a, ¿por cuál trayectoria es mayor el valor absoluto de la transferencia de calor? En esa trayectoria, ¿el sistema absorbe o desprende calor? Respuesta: (a) El trabajo es mayor por la trayectoria 1 y menor por por la trayectoria 3; (b) Por la trayectoria 1 y absorbe calor.
Nivel Master 6. Un gas ideal inicialmente a 20°C y 200 kPa posee un volumen de 4 L. Experimenta una expansión isotérmica cuasiestatica hasta que su presión se reduce a 100 kPa. Calcular Calcular (a) el trabajo realizado por el gas y (b) el calor suministrado al gas durante la expansión. Respuesta: (a) 555 J; (b) 555 J.
7. Cuando un sistema se lleva del estado a al b por la trayectoria acb (figura), 90 J de calor entran en el sistema y éste efectúa 60 J de trabajo. a) ¿Cuánto calor entra en el sistema por la trayectoria adb si el trabajo efectuado por el sistema es de 15 J? b) Cuando el sistema regresa de b a a siguiendo la trayectoria curva, el valor absoluto del trabajo efectuado por el sistema es de 35 J. ¿El sistema absorbe o desprende calor? ¿Cuánto? c) Si Ua = 0 y Ud = 8.0 J, ¿cuánto calor se absorbe en los procesos ad y db? Respuesta: (a) 45 J; (b) -65 J desprende calor; (c) Q ad = 23 J , Q db = 22 J. 8. Un gas ideal con un volumen inicial V i y una presión P i se expanden adiabáticamente y cuasiestáticamente hasta un volumen V 2 y una presión P 2. Calcular el trabajo realizado por el gas integrando directamente pdV . Respuesta:
=
9. Dos moles de un gas ideal se expanden cuasiestática y adiabáticamente desde una presión de 5 atm y un volumen de 12 litros a un volumen final de 30 litros. (γ= 1,40) (a) ¿Cuál es la presión final del gas? (b) ¿Cuáles son las temperaturas inicial y final? Respuesta: (a) 1,39 atm ; (b) Tinicial = 365,9 K, T final = 254,3 K 10. La capacidad calorífica molar a volumen constante de cierto gas con comportamiento ideal es CV. Una muestra de este gas ocupa inicialmente un volumen V 0 a una presión p 0 y una temperatura absoluta T0. El gas se expande isobáricamente a un volumen 2V 0 y luego se sigue expandiendo adiabáticamente hasta un volumen final de 4V 0. a) Calcule el trabajo total efectuado por el gas en esta sucesión de procesos. b) Calcule la temperatura final del gas. c) Determine el valor absoluto del flujo total de calor que entra en el gas o sale de él durante esta sucesión de procesos, e indique la dirección del flujo. Respuesta: (a)
); (b) = (2) ; (c) + 1. (2 − 2
= 1 +
