Primera ley de la termodinámica Gabriel Pozo Vallejos Física Instituto IACC 14-05-2018
Desarrollo Ejercicio 1:
Sobre un estanque de aceite se hace un trabajo de 800 [J] con un motor con aspas con el fin de subir su temperatura. El proceso es realizado bajo el sol, y finalmente, el incremento de la energía del aceite es de 80 [J], determine el calor entregado por el sol. Respuesta:
Q = diferencia de energía - W Entonces; Q = (80-800) [J] Q = -720[J] Así, el calor cedido por el sol al estanque es de -720 Joule
Ejercicio 2:
Sobre un litro de agua se realiza un trabajo de 4000 [J]. Determine cuánto aumenta la energía interna del agua considerando que se disipan 800 [J] de calor. Respuesta:
∆E = Q - w ∆E= 4000 J - 800 J = 3200 J ∆E =3200 J
Por lo tanto la energía interna aumenta en 3200 joule
Ejercicio 3:
Un estanque contiene 20 litros de agua ( = 20 [kg]) que inicialmente se encuentran a temperatura ambiente ( = 20° [C]). Similar al experimento realizado por Joule, se conecta un motor con aspas para elevar la temperatura del agua. Determine cuánto es el trabajo realizado por
el motor si es que la temperatura final del agua es de = 46° [C] asumiendo que no hay pérdidas de ningún tipo.
Respuesta:
W + Q= c * m * ∆T Como no hay perdidas ni aporte de calor del entorno, se elimina esta variable (Q). W = c * m * ∆T W= 4190 [J / (Kg ∗ C °)] * 20 Kg * 46°C−20°C W = 4190 [J / (Kg ∗ C °)] * 20 Kg * 26°C W=2.178.800 J El trabajo realizado por el motor es de 2.178.800 Joule.
Ejercicio 4:
Durante un día, la caldera de un buque de transporte, consume una cantidad total de combustible que genera un total 289 000 000 [J] de calor. Si el trabajo neto realizado por el motor sobre el buque es de tan solo 108 000 000 [J], determine el calor disipado y la eficiencia de la máquina. Respuesta:
W = Q1 – Q2 W = 289.000.000 J − 108.000.000 J
W = 181.000.000 J
η = (Q1 − Q2) / Q1 η = (289.000.000 J − 108.000.000 J) / 289.000.000 Se aplica cálculo de porcentajes: η = (181.000.000 J ∗100%) / 289.000.000 J η = 62,6% El calor disipado es de 181.000.000 Joule y la eficiencia de la maquina es de 62,6 %
Ejercicio 5:
Determine la eficiencia de un motor tal, que por cada 100 [J] de calor que consume elimina 55 [J]. Respuesta:
η = (Q1 – Q2) / Q1 η = (100 J − 55 J) / 100 J Calculamos a razón de porcentaje η = (45 J ∗100%) / 100 J η = 45 %
Por tanto el motor tiene una eficiencia de 45%
Ejercicio 6:
Un automóvil de 1200 [Kg] se encuentra en reposo en la base de una colina. Si la colina tiene un alto de 65 [m] y el motor tiene una eficiencia de = 33%, determine cuánto calor deberá consumir el motor para poder llegar arriba. Respuesta:
U=mgh U = 1200 Kg ∗ 9,8 [m/s2] ∗ 65 [m] U = 764400 J
El automóvil requiere de 764.400 Joule para llegar arriba, pero como su eficiencia es del 33 % tenemos que: η = w / Q1
Q1= 764400 J / 0.33 = 2.316.364 J
0.33= 764400 / 2.316.364
Para llegar arriba con un 33% de eficiencia el calor requerido es de 2.316.364 Joule
Ejercicio 7:
Explique, en un texto preciso, por medio de ejemplos reales, 2 ejemplos del experimento de Joule; y otros 2 ejemplos, de la primera ley de la termodinámica. Respuesta:
En lo que es la vida cotidiana podemos encontrar lo que es la calefacción eléctrica en la cual el radiador de aceite. Funciona calentando Las resistencias que van sumergidas en aceite y se calienta de manera uniforme en cada módulo aumentando la superficie de contacto con el aire, de modo que las corrientes de convección son más fuertes y el calor se distribuye de forma más rápida y homogénea por la habitación. Los termos ventiladores son sistemas de calefacción eléctrica que tienen un ventilador que hace pasar aire forzado a través de las resistencias. Esto logra que el aire de la habitación se caliente mucho más rápido que con la convección natural. Además son muy compactos, ya que la entrada continua de aire frío permite alcanzar mayor temperatura en las resistencias sin riesgo. En el caso de la primera ley de la termodinámica un ejemplo relevante es el motor de un vehículo donde la combustión de la bencina genera energía la cual es liberada por medio del trabajo del motor el cual es reflejado en el movimiento que permite que el vehículo se mueva y por otro lado la energía también es liberada como calor que se evidencia con el alza de temperatura del motor durante su marcha.
Bibliografía
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/joule/joule.htm
http://online.iacc.cl/pluginfile.php/3870721/mod_resource/content/2/Fisica_S6_Contenid o.pdf
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