Ley Termodinamica.docx

8/10/2019 Ley Termodinamica.docx

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UNIVERSIDAD FRANCISCO GAVIDIAFACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

FISICA II/III ING. MELBA DE MIRANDA

GASES IDEALES Y PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

GASES IDEALES:

1.

Un tanque de 20.0 L contiene 0.225 kg de helio a 18.0C. La masa molar del helio es de 4.0 g/mol.

a) Cuntos moles de helio hay en el tanque?b) Calcule la presin en el tanque?

2.

Helio gaseoso con un volumen de 2.6 L, a 1.3 atm de presin y una temperatura de 41.0C, se calientan hastaduplicar la presin y el volumen.

a) Calcule la temperatura finalb) Cuntos gramos de helio hay? La masa molar de helio es de 4.0 g/mol.

3. Un tanque de 3.0 L contiene aire a 3.0 atm y 20.0 C. El tanque se llena y enfra hasta que la presin es de 1.0

atm.a) Qu temperatura tiene ahora el gas en grados Celsius? Suponga que el tanque es constante.

b) Si la temperatura se mantiene en el valor determinado en la parte (a) y el gas se comprime, Qu

volumen tendr cuando la presin vuelva a ser de 3.0 atm?

4.

Un soldador llena un tanque de 0.0750 m3con oxigeno (masa molar= 32.0 g/mol) a una presin manomtrica

de 3.0x105 Pa y una temperatura de 37.0 C. El tanque tiene una fuga, y con el tiempo se escapa algo deoxigeno. Cierto da en que la temperatura es de 22.0 C, la presin manomtrica del oxigeno en el tanque es

de 1.8x105Pa. Calcule:a) La masa inicial de oxigeno

b)

La masa que se fug.

TRABAJO Y CALOR EN PROCESOS TERMODINAMICOS

5. Un mol de gas ideal realiza 3000 J de trabajo sobre los alrededores conforme se expande isotrmicamentehasta una presin final de 1.0 atm y un volumen de 25.0 L. Determine:

a) El volumen inicialb) La temperatura del gas

6. Un recipiente contiene un gas a una presin de 1.5 atm y un volumen a 4.0 m3. Cul es el trabajo efectuado

por el gas si:a) Se expande a presin constante hasta el doble de su volumen inicial?

b) Se comprime a presin constante hasta un cuarto de su volumen inicial?

7.

Una muestra de gas ideal se expande al doble de su volumen original de 1.0 m3

en un proceso cuasi-estticopara el cual P = V

2, con = 5.0 atm/m6, como se muestra en la figura. Cunto trabajo realiza el gas en

expansin?

PP=V2

1.0m3 2.0m3


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8. a) Determine el trabajo realizado por el fluido que se expande de I a F como se indica en la figura?b) Cunto trabajo realiza el fluido si ste se comprime desde F hasta I a lo largo de la misma trayectoria?

P (Pa)6 x 106

2 x 106

V (m3)1 2 3 4

9.

Un mol de gas ideal se calienta lentamente de modo que pasa del estado PV (Pi, Vi) al estado (3Pi, 3Vi) de talmanera que la presin del gas es directamente proporcional al volumen.

a) Cunto trabajo se efecta en el proceso?b) Cmo se relaciona la temperatura del gas con su volumen durante este proceso?

10.Una muestra de helio se comporta como un gas ideal conforme se le agrega energa por calor a presin

constante de 273 K a 373 K. Si el gas realiza 20.0 J de trabajo,a) hacer un diagrama P-V

b) cul es la masa del helio?

11.Un gas ideal esta encerrado en un cilindro que tiene un mbolo mvil en la parte superior. El mbolo tieneuna masa M y un rea A, y se puede deslizar libremente arriba y abajo, manteniendo la presin del gas

constante. Cunto trabajo se hace cuando la temperatura de n moles del gas se incrementa de T 1a T2?

12.Un gas se expande de I a F a lo largo de tres posibles trayectorias, como se indica en la figura. Calcule eltrabajo en joules realizado por el gas a lo largo de las trayectorias IAF, IF e IBF.

P (atm)

I A

4

1 B F

V (litros)

2 4

LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

13.Un gas se comprime a presin constante de 0.80 atm de 9.0 L a 2.0 L. en el proceso salen 400 J de energa de

gas por calor.

a)

Cul es el trabajo efectuado por el gas?b)

Cul es el cambio en su energa interna?

14.Un sistema termodinmico se somete a un proceso en el cual su energa interna disminuye en 500 J. Si al

mismo tiempo se hacen 220 J de trabajo sobre el sistema, Cul es la energa transferida a o desde l porcalor?


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15.Cunto trabajo efecta el vapor cuando 1.0 mol de agua a 100C hierve y se convierte en 1.0 mol de vapor a100C y atm de presin? Suponiendo que el vapor es un gas ideal, determine el cambio en la energa interna

del vapor conforme se vaporiza.

16.Un bloque de 1.0 kg de aluminio se calienta a presin de 22.0C a 40.0C. Encuentre:a) El trabajo realizado por el aluminio.

b)

La energa que se le adiciona por calorc)

El cambio en su energa interna.

17.Una muestra de 2.0 moles de helio gaseoso inicialmente a 300 K y 0.40 atm se comprime isotrmicamente a1.2 atm. Suponiendo que el comportamiento del helio es el de un gas ideal, encuentre:a) El volumen final del gas

b)

El trabajo realizado por el gasc)

La energa transferida por el calor

18.Un mol de vapor de gua a 373 K de temperatura se enfra hasta 283 K. La energa extrada del vapor en

enfriamiento por calor se absorbe por 10.0 moles de un gas ideal, provocando que se expanda a unatemperatura constante de 273 K. Si el volumen final del gas ideal es de 20.0 L, cul es el volumen inicial del

gas ideal?

19.Un gas se lleva a travs del proceso cclico descrito en la figura.

a) Encuentre la energa neta transferida por el calor al sistema durante un ciclo completo.b) Si se invierte el ciclo es decir, si el proceso sigue la trayectoria ACBA-, cul es la energa neta que

ingresa de calor por ciclo?

P (kPa)

8

2

V (m3)6 10

20.Considere el proceso cclico esbozado en la figura. Si Q es negativo para el proceso BC, y si Eint esnegativo para el proceso CA, cules son los signos de Q, W y Eint que estn asociados con cada proceso?

P (kPa)

8

2

V (m3)6 10


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21.Un gas ideal inicialmente a Pi, Vi y Ti efecta un ciclo como el descrito en la figura.a) Encuentre el trabajo neto hecho por el gas por ciclo.

b) Cul es la energa neta agregada por el calor al sistema por el ciclo?c)

Obtenga un valor numrico para el trabajo neto hecho cada ciclo por 1.0 mol de gas inicialmente a 0C.

PB C

3Pi

Pi A D

VVi 3Vi

22.Un gas ideal inicialmente a 300 K se somete a una expansin isobrica a 2.5 KPa. Si el volumen aumenta de1.0 m3a 3.0 m3, y si 12.5 KJ de energa se transfieren al gas por calor, calcule:

a) El cambio en su energa internab) Su temperatura final

APLICACIONES DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

23.En la figura el cambio en la energa interna de un gas que pasa de A a C es 800 J. El trabajo efectuado a lolargo de la trayectoria ABC es 500 J.a)

Cunta energa debe entregarse al sistema por calor cuando va de A a C pasando por B?

b) Si la presin en el punto A es cinco veces la del punto C, cul es el trabajo que hace el sistema al ir de Ca D?

c) Cul es la energa que se intercambia por calor con los alrededores cuando el ciclo va de C a A?d) Si el cambio en la energa interna al ir el punto D al A es 500 J, Cunta energa debe entregarse al

sistema por calor cuando va del punto C al punto D?

PA B

3Pi

Pi D C

VVi 3Vi

24.Una muestra de 4.65 mol de un gas ideal diatmico se expande adibaticamente de un volumen de 0.1210 m3

a otro de 0.75 m3. Inicialmente la presin era de 1.0 atm. Determine:

a)

las temperaturas inicial y finalb)

el cambio de energa internac) el calor perdido por el gasd) el trabajo efectuado sobre el gas

25.Una muestra de 1.0 mol de un gas ideal monoatmico originalmente a una presin de 1.0 atm., sufre unproceso de tres etapas:

ETAPA I: se expande adibaticamente de T1=550 K a T2= 389 K;ETAPA II: es comprimido a presin constante hasta que su temperatura llega a T3


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FETAPA III: luego regresa a presin y temperatura originales por un proceso a volumen constante.a) Grafique esos proceso sobre un diagrama PV

b) Determine T3c)

Calcule el cambio de energa interna, el trabajo hecho por el gas, y el calor agregado el gas en cada

proceso, yd) en el ciclo completo

26.

Un mol de un gas monoatmico ideal est a una temperatura inicial de 300 K. El gas se somete a un procesoisovolumtrico en el que adquiere 500 J de energa por calor. A continuacin se somete a un proceso isobrico

en el cual pierde esta misma cantidad de calor. Determine:a) la nueva temperatura del gas

b) el trabajo realizado sobre el gas

27.

Una muestra de un gas ideal sigue el proceso que se indica en la figura. De A a B el proceso es Adiabtico; de

B a C es isobrico, con 150 KJ de flujo de energa por calor hacia fuera del sistema. Determine la diferenciaen la energa interna Eint,BEint,A.

P

P2 B C

P1 A D

VV1 V2

28.Aire ( = 1.40) a 27C y a presin atmosfrica se extrae de una bomba de bicicleta que tiene un cilindro con

un dimetro interno de 2.5 cm y 50.0 cm de longitud. La carrera descendente comprime al aireadiabticamente, el cual alcanza una presin manomtrica de 800 kPa antes de llegar a la llanta. Determine:a) el volumen del aire comprimido

b)

la temperatura del aire comprimido

c) la bomba es de acero y tiene una pared interior cuyo espesor es de 2.0 mm. Suponga que a 4.0 cm de lalongitud del cilindro se le permite que llegue al equilibrio trmico con el aire. Cul ser el aumento de

temperatura de la pared?

29.Una muestra de un gas ideal monoatmico ocupa 5.0 L a presin atmosfrica y 300 K (punto A en la figura).Se calienta a volumen constante a 3.0 atm (punto B). A continuacin, se le permite expandirseisotrmicamente a 1.0 atm (punto C) y, por ltimo, se le comprime isobricamente a su estado original.

a) Encuentre el nmero de moles en la muestra

b)

Encuentre las temperaturas en los puntos B y C y el volumen en el punto C.c)

Suponiendo que el calor especfico no depende de la temperatura, de modo que Eint = 3nRT/2, encuentrela energa interna en los puntos A, B y C.

d) Tabule P, V, T y Eint en los estados en los puntos A, B y C

e) Ahora considere los proceso A ---- B, B ---- C y C ---- A. Describa como llevara a caboexperimentalmente cada proceso

f)

Encuentre Q, W y Eint para cada uno de los procesos. g) Para el ciclo completo A ----- B ------ C ----- A, encuentre Q, W y Eint.


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P (atm)3

B

1 A C

V (litros)

5 15

30.Considere el siguiente proceso de dos etapas. El calor es permitido fluir hacia fuera de un gas ideal a volumenconstante de manera que su presin cae de 2.2 atm a 1.5 atm. Luego el gas se expande a presin constante, deun volumen de 6.8 L a 10.0 L, donde la temperatura alcanza su valor original. Vase la figura. Calcule:

a) El trabajo total hecho por el gas en el proceso.b) El cambio en energa interna del gas en el proceso

c) El flujo total de calor hacia dentro o hacia fuera del gas.

P (atm)

2.2 a

1.5 b c

6.8 10.0 V (litros)

31. Una muestra de 4.65 mol de un gas ideal diatmico se expande adiabticamente de un volumen de 0.121 m3a

otro de 0.75 m3. Inicialmente la presin era de 1.0 atm. Determine:

a)

Las temperaturas inicial y final.b) El cambio de energa interna.c) El calor perdido por el gas

d) El trabajo efectuado sobre el gas. (Suponga que no hay vibracin molecular).

32.En el proceso de llevar un gas del estado A al C a lo largo de la trayectoria curva mostrada en la figura, 80 Jde calor dejan del sistema y 55 J de trabajo son hechos sobre el sistema.a) Determine el cambio de energa interna UaUc.

b) Cuando el gas se lleva a lo largo de la trayectoria CDA, el trabajo hecho por el gas es W = 38 J. Cuntocalor Q se agrega al cas en el proceso CDA?

c)

Si Pa = 2.5Pd, cuanto trabajo es hecho por el gas en el proceso?d) Qu valor tiene Q para la trayectoria ABC?

e)

Si Ua-Ub = 10 J, que valor tiene Q en el proceso BC?

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