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• Víctor Hugo Ossa Ossa

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UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA FACULTAD DE ESTUDIOS A DISTANCIA PROGRAMA DE : INGENIERÍA CIVIL Asignatura: FÍSICA CALOR Y ONDAS

Semestre : Tercero

Taller : Termodinámica

Tiempo: 16 horas

Tutor : Francia Leonora Salazar Suárez

Unidad:

3

1.

Convierta las siguientes temperaturas Kelvin a las escalas Celsius y Fahrenheit: La temperatura de de la superficie de Venus ( 750K); La temperatura de de la superficie de Plutón (50K); La temperatura de de la superficie del Sol ( 5800K)

2.

Los remaches de aluminio para construcción de aviones se fabrican un poco más grandes que sus agujeros y se enfrían con “hielo seco” (CO2 sólido) antes de insertarse. Si el diámetro de un agujero es de 4.5 mm, ¿qué diámetro debe tener un remache a 23°C para que su diámetro sea igual al del agujero cuando se enfría a -78°C, la temperatura del hielo seco? Suponga que el coeficiente de expansión es constante.

3.

Un operario hace un agujero de 1.35cm de diámetro en una placa de acero a una temperatura de 25°C. ¿Qué área transversal tendrá el agujero a) a 25°C; y b) si la placa se calienta a 175 °C? Suponga que el coeficiente de expansión lineal es constante dentro de este intervalo.

4.

Poco después de que se formara la Tierra, el calor liberado por la desintegración de elementos radiactivos elevó la temperatura interna promedio de 300 a 3000K, a cuyo valor permanece hoy en día aproximadamente. Suponiendo un coeficiente de dilatación volumétrica promedio de 3,2x10-5K-1. ¿Cuánto ha aumentado el radio de la tierra desde su formación?

5.

Un frasco de vidrio con volumen de 1000cm3 a 0oC se llena con mercurio a esta temperatura. Si el frasco y el mercurio se calientan a 80 oC, se derraman 12.5 cm3 de Hg. Si el coeficiente de expansión de volumen (β) del Hg. Es de 18 x 10-5 K-1, calcule β para el vidrio.

6.

Tratando de mantenerse despierto para estudiar toda la noche, un estudiante prepara una taza de café colocando una resistencia eléctrica de inmersión de 200W en 0.32kg de agua. a) ¿Cuánto calor debe agregarse al agua para elevar su temperatura de 20°C a 80°C? b) ¿Cuánto tiempo se requiere? Suponga que toda la potencia se invierte en calentar el agua.

7.

Una tetera de aluminio de 1.5kg que contiene 1.8kg de agua se pone en la estufa. Si no se transfiere calor al entorno, ¿cuánto calor debe agregarse para elevar la temperatura de 20°C a 85°C?

8.

Un técnico mide el calor específico de un líquido desconocido sumergiendo en él una resistencia eléctrica. La energía eléctrica se convierte en calor transferido al líquido durante 120s con tasa constante de 65W. La masa del líquido es de 0.78kg y su temperatura aumenta de 18.55°C a 22.54°C. a) Calcule el calor específico promedio del líquido en este intervalo de temperatura? Suponga que la cantidad de calor que se transfiere al recipiente es despreciable y que no se transfiere calor al entorno.

9.

Un asteroide con diámetro de 10km y una masa de 2.6x10 5kg choca contra la Tierra a una rapidez de 32km/s y cae en el Océano Pacífico. Si el 1% de la energía cinética del asteroide se destina a hacer que entre en ebullición el agua del océano (suponga que la temperatura inicial del agua es de 10°C), ¿cuál es la masa de agua que se evaporará por completo como resultado de la colisión? ¿Cuál es el cambio de entropía?

10.

Un calorímetro de aluminio con una masa de 100g contiene 250g de agua. El calorímetro y el agua están en equilibrio térmico a 10ºc. Dos bloques metálicos se colocan en el agua. Uno es una pieza de cobre de 50g a 80ºc, el otro bloque tiene una masa de 70g y originalmente está a una temperatura de 100ºc, si el sistema completa se estabiliza a una temperatura final de 20ºc ¿Cuál es el calor específico del material desconocido? ¿Cuál es el cambio en la entropía?

11.

Se tiene media molécula del gas ideal a 31ºc. ¿Cuál es la energía cinética traslacional media de una molécula de este gas? ¿Cuál es la energía cinética traslacional total de las moléculas de un mol de ese gas? ¿Cuál es la rapidez eficaz (V rms) de las moléculas de oxigeno a 31ºc? (m02 = 5,31 x10-23g)

12.

Una cantidad de gas ideal a 15°C y una presión de 110kPa ocupa un volumen 2,65m3. a) ¿Cuántos moles contiene el gas? b) Si la presión se eleva a 320kPa y la temperatura se eleva a 36°C, ¿Qué volumen ocupará ahora el gas? Suponga que no existan fugas.

13.

Un tanque cilíndrico vertical contiene 1.8moles de un gas ideal a una presión de 1atm y a 20°C. La parte circular del tanque tiene un radio de 10cm y el gas tiene un pistón que puede moverse sin fricción hacia arriba y hacia abajo en el cilindro. a) ¿Cuál es la masa de este pistón? b) ¿Qué altura tiene la columna de gas que sostiene el pistón?

14.

Un tanque cilíndrico grande contiene 0,75m3 de nitrógeno gaseoso a 27ºc y 1,5x105Pa. El tanque tiene un pistón ajustado que permite cambiar el volumen. Determine la presión si el volumen se reduce a 0,48 m3 y la temperatura se aumenta a 157ºc.

15.

Dos moles de gas ideal están comprimidos en un cilindro a temperatura constante de 85°C hasta que se triplique la presión original. a) Dibuje

una gráfica pV para este proceso. b) Calcule la cantidad de trabajo efectuado. 16.

Un tanque de 3L contiene aire a 3atm y 20°C. El tanque se sella y enfría hasta que la presión es de 1atm. a) ¿Qué temperatura tiene ahora el gas en grados Celsius? Suponga que el volumen del tanque es constante. b) Si la temperatura se mantiene en el valor determinado en el inciso a) y el gas se comprime, ¿qué volumen tendrá cuando la presión vuelva a ser de 3atm? ¿Cuánto trabajo efectuó el gas en los dos procesos? Dibuje una gráfica PV con los dos procesos.

17.

Un gas se somete a dos procesos. En el primero, el volumen permanece constante en 0.2m3 y la presión aumenta de 2X10 5 Pa a 5X105 Pa. El segundo proceso es una compresión a un volumen de 0.12m3, a presión constante de 5X105 Pa. a) Muestre ambos procesos en una gráfica pV. b) Calcule el trabajo total efectuado por el gas durante los dos procesos.

18.

Al empezar con 2.50 moles de N2 gaseoso (que se supone ideal) en un cilindro a 1atm y 20°C, un químico calienta primero el gas a volumen constante, agrega 1.52x104J de calor, luego continúa calentando y permite que el gas se expanda a presión constante al doble de su volumen original. a) Calcule la temperatura final del gas. b) Determine la cantidad de trabajo efectuado por el gas. c) Calcule la cantidad de calor agregado al gas mientras se expande. d) Calcule el cambio de energía interna del gas en todo el proceso. e) Realice la gráfica PV.

19.

Un volumen de aire (que se supone gas ideal) primero se enfría sin cambiar su volumen, luego, se expande sin cambiar su presión, y finalmente experimenta un proceso isotérmico, como se indica en la trayectoria abca de la figura. a) ¿Cuánto calor intercambia el aire con su entorno, cuánto trabajo se realiza y cuál es el cambio en la energía interna, en cada proceso y durante el proceso abca? ¿Cuál es el cambio de entropía del sistema?

P(Pa)

3x105

a

2x105 1x105

c

b 0,02

0,04

0,06

V(cm3)

20.

Tres moles de gas ideal sufren una compresión isotérmica reversible a 20°C, durante la cual se efectúa 1850J de trabajo sobre el gas. Calcule el cambio de entropía del gas.

21.

Un motor de gasolina desarrolla una potencia de 180kW (aproximadamente 241hp). Su eficiencia térmica es del 28%. a) ¿Cuánto calor debe suministrarse al motor por segundo? b) ¿Cuánto calor desecha el motor cada segundo?

22.

Una máquina de Carnot opera entre dos fuentes de calor a 520K y 300K. a) Si el motor recibe 6.45kJ de calor de la fuente a 520°K en cada ciclo, ¿Cuántos joule por ciclo cede a la fuente a 300°K? b) ¿Cuánto trabajo mecánico realiza la máquina en cada ciclo? c) Determine la eficiencia térmica de la máquina.

23.

Un refrigerador de Carnot opera entre dos fuentes de calor a temperaturas de 320K y 270K. a) Si en cada ciclo el refrigerador recibe 415J de calor de la fuente a 270K, ¿cuántos joules de calor cede a la fuente a 320K? b) Si el refrigerador realiza 165ciclos/min, ¿qué alimentación de potencia se requiere para operarlo? c) Calcule el coeficiente de rendimiento del refrigerador.

24.

El motor de un refrigerador tiene una potencia de salida de 210w, El compartimento de congelar está a -3°C y el aire exterior está a 26°C. Suponiendo que la eficiencia sea del 85% de la ideal, calcule la cantidad de calor que puede ser extraído del compartimento de congelar en 15min.

25.

Tres moles de gas ideal sufren una compresión isotérmica reversible a 20°C, durante la cual se efectúa 1850J de trabajo sobre el gas. Calcule el cambio de entropía del gas.