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  1. Prefacio
  2. Termodinámica
    1. 1 Temperatura y calor
      1. Introducción
      2. 1.1 Temperatura y equilibrio térmico
      3. 1.2 Termómetros y escalas de temperatura
      4. 1.3 Dilatación térmica
      5. 1.4 Transferencia de calor, calor específico y calorimetría
      6. 1.5 Cambios de fase
      7. 1.6 Mecanismos de transferencia de calor
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    2. 2 Teoría cinética de los gases
      1. Introducción
      2. 2.1 Modelo molecular de un gas ideal
      3. 2.2 Presión, temperatura y velocidad media cuadrática (rms)
      4. 2.3 Capacidad calorífica y equipartición de energía
      5. 2.4 Distribución de las velocidades moleculares
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 3 Primera ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 3.1 Sistemas termodinámicos
      3. 3.2 Trabajo, calor y energía interna
      4. 3.3 Primera ley de la termodinámica
      5. 3.4 Procesos termodinámicos
      6. 3.5 Capacidades térmicas de un gas ideal
      7. 3.6 Procesos adiabáticos para un gas ideal
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 4 Segunda ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 4.1 Procesos reversibles e irreversibles
      3. 4.2 Máquinas térmicas
      4. 4.3 Refrigeradores y bombas de calor
      5. 4.4 Enunciados de la segunda ley de la termodinámica
      6. 4.5 El ciclo de Carnot
      7. 4.6 Entropía
      8. 4.7 Entropía a escala microscópica
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  3. Electricidad y magnetismo
    1. 5 Cargas y campos eléctricos
      1. Introducción
      2. 5.1 Carga eléctrica
      3. 5.2 Conductores, aislantes y carga por inducción
      4. 5.3 Ley de Coulomb
      5. 5.4 Campo eléctrico
      6. 5.5 Cálculo de los campos eléctricos de las distribuciones de carga
      7. 5.6 Líneas de campo eléctrico
      8. 5.7 Dipolos eléctricos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    2. 6 Ley de Gauss
      1. Introducción
      2. 6.1 Flujo eléctrico
      3. 6.2 Explicar la ley de Gauss
      4. 6.3 Aplicación de la ley de Gauss
      5. 6.4 Conductores en equilibrio electrostático
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 7 Potencial eléctrico
      1. Introducción
      2. 7.1 Energía potencial eléctrica
      3. 7.2 Potencial eléctrico y diferencia de potencial
      4. 7.3 Cálculo del potencial eléctrico
      5. 7.4 Determinación del campo a partir del potencial
      6. 7.5 Equipotential Surfaces and Conductors
      7. 7.6 Aplicaciones de la electrostática
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 8 Capacitancia
      1. Introducción
      2. 8.1 Condensadores y capacitancia
      3. 8.2 Condensadores en serie y en paralelo
      4. 8.3 Energía almacenada en un condensador
      5. 8.4 Condensador con dieléctrico
      6. 8.5 Modelo molecular de un dieléctrico
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    5. 9 Corriente y resistencia
      1. Introducción
      2. 9.1 Corriente eléctrica
      3. 9.2 Modelo de conducción en metales
      4. 9.3 Resistividad y resistencia
      5. 9.4 Ley de Ohm
      6. 9.5 Energía eléctrica y potencia
      7. 9.6 Superconductores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    6. 10 Circuitos de corriente directa
      1. Introducción
      2. 10.1 Fuerza electromotriz
      3. 10.2 Resistores en serie y en paralelo
      4. 10.3 Reglas de Kirchhoff
      5. 10.4 Instrumentos de medición eléctrica
      6. 10.5 Circuitos RC
      7. 10.6 Cableado doméstico y seguridad eléctrica
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    7. 11 Fuerzas y campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 11.1 El magnetismo y sus descubrimientos históricos
      3. 11.2 Campos y líneas magnéticas
      4. 11.3 Movimiento de una partícula cargada en un campo magnético
      5. 11.4 Fuerza magnética sobre un conductor portador de corriente
      6. 11.5 Fuerza y torque en un bucle de corriente
      7. 11.6 El efecto Hall
      8. 11.7 Aplicaciones de las fuerzas y campos magnéticos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    8. 12 Fuentes de campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 12.1 La ley de Biot-Savart
      3. 12.2 Campo magnético debido a un cable recto delgado
      4. 12.3 Fuerza magnética entre dos corrientes paralelas
      5. 12.4 Campo magnético de un bucle de corriente
      6. 12.5 Ley de Ampère
      7. 12.6 Solenoides y toroides
      8. 12.7 El magnetismo en la materia
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    9. 13 Inducción electromagnética
      1. Introducción
      2. 13.1 Ley de Faraday
      3. 13.2 Ley de Lenz
      4. 13.3 Fuerza electromotriz (emf) de movimiento
      5. 13.4 Campos eléctricos inducidos
      6. 13.5 Corrientes de Foucault
      7. 13.6 Generadores eléctricos y fuerza contraelectromotriz
      8. 13.7 Aplicaciones de la inducción electromagnética
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    10. 14 Inductancia
      1. Introducción
      2. 14.1 Inductancia mutua
      3. 14.2 Autoinducción e inductores
      4. 14.3 Energía en un campo magnético
      5. 14.4 Circuitos RL
      6. 14.5 Oscilaciones en un circuito LC
      7. 14.6 Circuitos RLC en serie
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    11. 15 Circuitos de corriente alterna
      1. Introducción
      2. 15.1 Fuentes de ac
      3. 15.2 Circuitos simples de ac
      4. 15.3 Circuitos en serie RLC con ac
      5. 15.4 Potencia en un circuito de ac
      6. 15.5 Resonancia en un circuito de ac
      7. 15.6 Transformadores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    12. 16 Ondas electromagnéticas
      1. Introducción
      2. 16.1 Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas
      3. 16.2 Ondas electromagnéticas planas
      4. 16.3 Energía transportada por las ondas electromagnéticas
      5. 16.4 Momento y presión de radiación
      6. 16.5 El espectro electromagnético
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  4. A Unidades
  5. B Factores de conversión
  6. C Constantes fundamentales
  7. D Datos astronómicos
  8. E Fórmulas matemáticas
  9. F Química
  10. G El alfabeto griego
  11. Clave de Respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
  12. Índice

Problemas

2.1 Modelo molecular de un gas ideal

18 .

La presión manométrica de los neumáticos de su automóvil es 2,50×105N/m22,50×105N/m2 a una temperatura de 35,0°C35,0°C cuando lo mete en un barco en Los Ángeles para que lo envíen a Alaska. ¿Cuál es su presión manométrica en una noche en Alaska cuando su temperatura ha bajado a 40,0°C40,0°C? Suponga que los neumáticos no han ganado ni perdido aire.

19 .

Suponga que una bombilla incandescente llena de gas se fabrica de manera que el gas de su interior está a presión atmosférica cuando la bombilla tiene una temperatura de 20,0°C20,0°C. (a) Calcule la presión manométrica dentro de dicha bombilla cuando está caliente, suponiendo que su temperatura promedio es 60,0°C60,0°C (una aproximación) y desestime cualquier cambio de volumen debido a dilatación térmica o a fugas de gas. (b) La presión final real de la bombilla será menor que la calculada en la parte (a) porque el vidrio de la bombilla se expandirá. ¿Este efecto es significativo?

20 .

Las personas que compran alimentos en bolsas selladas en zonas altas suelen notar que las bolsas están hinchadas porque el aire de su interior se ha expandido. Una bolsa de pretzels se envasó a una presión de 1,00 atm y a una temperatura de 22,0°C.22,0°C. Cuando se abrió en un pícnic de verano en Santa Fe, Nuevo México, a una temperatura de 32,0°C,32,0°C, el volumen del aire en la bolsa es 1,38 veces su volumen original. ¿Cuál es la presión del aire?

21 .

¿Cuántos moles hay en (a) 0,0500 g de N2N2 gas (M=28,0g/mol)?(M=28,0g/mol)? b) 10,0 g de CO2CO2 gas (M=44,0g/mol)?(M=44,0g/mol)? (c) ¿Cuántas moléculas hay en cada caso?

22 .

Un recipiente cúbico de volumen 2,00 L contiene 0,500 mol de gas nitrógeno a una temperatura de 25,0°C.25,0°C. ¿Cuál es la fuerza neta debido al nitrógeno sobre una de las paredes del recipiente? Compare esa fuerza con el peso de la muestra.

23 .

Calcule el número de moles en el volumen de aire de 2,00 L de los pulmones de una persona promedio. Tome en cuenta que el aire está a 37,0°C37,0°C (temperatura corporal) y que el volumen total en los pulmones es varias veces superior a la cantidad inhalada en una respiración típica, como se indica en el Ejemplo 2.2.

24 .

Un pasajero de avión tiene 100cm3100cm3 de aire en su estómago justo antes de que el avión despegue de un aeropuerto a nivel del mar. ¿Qué volumen tendrá el aire a la altitud de crucero si la presión de la cabina baja a 7,50×104N/m27,50×104N/m2?

25 .

Una compañía anuncia que suministra helio a una presión manométrica de 1,72×107Pa1,72×107Pa en un cilindro de volumen 43,8 L. ¿Cuántos globos se pueden inflar hasta un volumen de 4,00 L con esa cantidad de helio? Suponga que la presión dentro de los globos es 1,01×105Pa1,01×105Pa y la temperatura en el cilindro y los globos es 25,0°C25,0°C.

26 .

Según http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solar/venusenv.html, la atmósfera de Venus está compuesta de, aproximadamente, 96,5%CO296,5%CO2 y 3,5%N23,5%N2 por volumen. En la superficie, donde la temperatura es de unos 750 K y la presión es de unas 90 atm, ¿cuál es la densidad de la atmósfera?

27 .

Un sistema de vacío costoso puede alcanzar una presión tan baja como 1,00×10−7N/m21,00×10−7N/m2 a 20,0°C.20,0°C. ¿Cuántas moléculas hay en un centímetro cúbico a esta presión y temperatura?

28 .

La densidad numérica N/V de las moléculas de gas en un lugar determinado del espacio sobre nuestro planeta es de, aproximadamente, 1,00×1011m−3,1,00×1011m−3, y la presión es 2,75×10−10N/m22,75×10−10N/m2 en este espacio. ¿Cuál es la temperatura allí?

29 .

Un neumático de bicicleta contiene 2,00 L de gas a una presión absoluta de 7,00×105N/m27,00×105N/m2 y una temperatura de 18,0°C18,0°C. ¿Cuál será su presión si se deja salir una cantidad de aire que tiene un volumen de 100cm3100cm3 a presión atmosférica? Suponga que la temperatura y el volumen del neumático permanecen constantes.

30 .

En una demostración común, se calienta una botella y se tapa con un huevo sancochado que es un poco más grande que el cuello de la botella. Cuando la botella se enfría, la diferencia de presión entre el interior y el exterior fuerza al huevo a entrar en la botella. Suponga que la botella tiene un volumen de 0,500 L y la temperatura en su interior se eleva a 80,0°C80,0°C mientras la presión se mantiene constante en 1,00 atm porque la botella está abierta. (a) ¿Cuántos moles de aire hay dentro? (b) Ahora se coloca el huevo y sella la botella. ¿Cuál es la presión manométrica en el interior después de que el aire se enfríe de nuevo a la temperatura ambiente de 25°C25°C pero antes de forzar el huevo en la botella?

31 .

Un cilindro de gas de alta presión contiene 50,0 L de gas tóxico a una presión de 1,40×107N/m21,40×107N/m2 y una temperatura de 25,0°C25,0°C. El cilindro se enfría a la temperatura del hielo seco (−78,5°C)(−78,5°C) para reducir la tasa de fuga y la presión de modo que se pueda reparar con seguridad. (a) ¿Cuál es la presión final en el tanque, suponiendo que una cantidad insignificante de gas se escapa mientras se enfría y que no hay cambio de fase? (b) ¿Cuál es la presión final si se escapa una décima parte del gas? (c) ¿A qué temperatura se debe enfriar el tanque para reducir la presión a 1,00 atm (suponga que el gas no cambia de fase y que no hay fugas durante el enfriamiento)? (d) ¿Parece que enfriar el tanque como en la parte (c) es una solución práctica?

32 .

Calcule el número de moles en 2,00 L de gas a 35,0°C35,0°C y con 7,41×107N/m27,41×107N/m2 de presión.

33 .

Calcule la profundidad a la que el número de Avogadro de pelotas de tenis de mesa cubriría la Tierra. Cada pelota tiene un diámetro de 3,75 cm. Suponga que el espacio entre las pelotas añade un 25,0%25,0% a su volumen y asuma que no son aplastadas por su propio peso.

34 .

(a) ¿Cuál es la presión manométrica en un neumático de automóvil a 25,0°C25,0°C que contiene 3,60 mol de gas en un volumen de 30,0 L? (b) ¿Cuál será su presión manométrica si se añade 1,00 L de gas originalmente a presión atmosférica y 25,0°C25,0°C? Suponga que la temperatura se mantiene en 25,0°C25,0°C y el volumen se mantiene constante.

2.2 Presión, temperatura y velocidad media cuadrática (rms)

En los problemas de esta sección suponga que todos los gases son ideales.

35 .

Una persona golpea una pelota de tenis con una masa de 0,058 kg contra una pared. El componente promedio de la velocidad de la pelota perpendicular a la pared es de 11 m/s, la pelota golpea la pared cada 2,1 s en promedio y rebota con el componente perpendicular opuesto de la velocidad. (a) ¿Cuál es la fuerza promedio ejercida sobre la pared? (b) Si la parte de la pared que golpea la persona tiene un área de 3,0m2,3,0m2, ¿cuál es la presión promedio en esa área?

36 .

Una persona se encuentra en una habitación cerrada (una pista de ráquetbol) con V=453m3V=453m3 y está golpeando una pelota (m=42,0g)(m=42,0g) al azar y sin pausas. La energía cinética promedio de la pelota es de 2,30 J. (a) ¿Cuál es el valor promedio de vx2?vx2? ¿Importa la dirección que se tome como x? (b) Al aplicar los métodos de este capítulo, halle la presión promedio en las paredes. (c) Aparte de la presencia de una sola “molécula” en este problema, ¿cuál es la principal suposición de la sección Presión, temperatura y velocidad media cuadrática (rms) que no se aplica aquí?

37 .

Cinco ciclistas circulan a las siguientes velocidades: 5,4 m/s; 5,7 m/s; 5,8 m/s; 6,0 m/s y 6,5 m/s. (a) ¿Cuál es su rapidez media? (b) ¿Cuál es su velocidad rms?

38 .

Algunas bombillas incandescentes están llenas de gas argón. ¿Cuál es la vrmsvrms para los átomos de argón cerca del filamento, suponiendo que su temperatura es de 2.500 K?

39 .

Velocidades moleculares típicas (vrms)(vrms) son grandes, incluso a bajas temperaturas. ¿Cuál es la vrmsvrms para átomos de helio a 5,00 K, menos de un grado por encima de la temperatura de licuefacción del helio?

40 .

¿Cuál es la energía cinética promedio en julios de los átomos de hidrógeno a los 5.500°C5.500°C en la superficie del Sol? (b) ¿Cuál es la energía cinética promedio de los átomos de helio en una región de la corona solar donde la temperatura es 6,00×105K6,00×105K?

41 .

¿Cuál es la relación entre la energía cinética traslacional promedio de una molécula de nitrógeno a una temperatura de 300 K y la energía potencial gravitacional de un sistema nitrógeno-molécula-Tierra en el techo de una habitación de 3 m de altura con respecto al mismo sistema con la molécula en el suelo?

42 .

¿Cuál es la energía cinética traslacional total de las moléculas de aire en una habitación de volumen 23m323m3 si la presión es 9,5×104Pa9,5×104Pa (la habitación está a bastante elevación) y la temperatura es 21°C21°C? ¿Hay algún dato innecesario para la solución?

43 .

El producto de la presión y el volumen de una muestra de gas hidrógeno a 0,00°C0,00°C es de 80,0 J. (a) ¿Cuántos moles de hidrógeno hay? (b) ¿Cuál es la energía cinética traslacional promedio de las moléculas de hidrógeno? (c) ¿Cuál es el valor del producto de presión y volumen a 200°C?200°C?

44 .

¿Cuál es la presión manométrica dentro de un tanque de 4,86×104mol4,86×104mol de nitrógeno comprimido con un volumen de 6,56m36,56m3 si la velocidad rms es de 514 m/s?

45 .

Si la velocidad rms de las moléculas de oxígeno dentro de un refrigerador con un volumen de 22,0ft.322,0ft.3 es de 465 m/s, ¿cuál es la presión parcial del oxígeno? Hay 5,71 moles de oxígeno en el refrigerador, y la masa molar del oxígeno es de 32,0 g/mol.

46 .

La velocidad de escape de cualquier objeto desde la Tierra es de 11,1 km/s. ¿A qué temperatura las moléculas de oxígeno (cuya masa molar es igual a 32,0 g/mol) tendrían una velocidad media cuadrática vrmsvrms igual a la velocidad de escape de la Tierra de 11,1 km/s?

47 .

La velocidad de escape de la Luna es mucho menor que la de la Tierra, solo 2,38 km/s. ¿A qué temperatura las moléculas de hidrógeno (cuya masa molar es igual a 2,016 g/mol) tendrían una velocidad media cuadrática vrmsvrms igual a la velocidad de escape de la Luna?

48 .

Fusión nuclear, fuente de energía del Sol, bombas de hidrógeno y reactores de fusión se producen mucho más fácilmente cuando la energía cinética promedio de los átomos es alta, es decir, a altas temperaturas. Suponga que quiere que los átomos de su experimento de fusión tengan energías cinéticas promedio de 6,40×10−14J6,40×10−14J. ¿Qué temperatura se necesita?

49 .

Suponga que la velocidad típica (vrms)(vrms) de moléculas de dióxido de carbono (cuya masa molar es de 44,0 g/mol) en una llama es de 1.350 m/s. ¿Qué temperatura indica esto?

50 .

(a) Las moléculas de hidrógeno (cuya masa molar es igual a 2,016 g/mol) tienen vrmsvrms igual a 193 m/s. ¿Cuál es la temperatura? (b) Gran parte del gas cercano al Sol es hidrógeno atómico (H en vez de H2).H2). Su temperatura tendría que ser 1,5×107K1,5×107K para la velocidad rms vrmsvrms para igualar la velocidad de escape del Sol. ¿Cuál es esa velocidad?

51 .

Hay dos isótopos importantes de uranio, 235U235U y 238U238U; estos isótopos son casi idénticos químicamente, pero tienen masas atómicas diferentes. Solo 235U235U es muy útil en reactores nucleares. La separación de los isótopos se denomina enriquecimiento de uranio (y suele ser noticia a partir de esto debido a la preocupación de que algunos países estén enriqueciendo uranio con la meta de fabricar armas nucleares). Una de las técnicas de enriquecimiento, la difusión gaseosa, se basa en las diferentes velocidades moleculares del gas hexafluoruro de uranio, UF6UF6. (a) Las masas molares de 235U235U y 238UF6238UF6 son 349,0 g/mol y 352,0 g/mol, respectivamente. ¿Cuál es la relación de sus velocidades típicas vrmsvrms? (b) ¿A qué temperatura diferirían sus velocidades típicas en 1,00 m/s? (c) ¿Sus respuestas en este problema implican que esta técnica puede ser difícil?

52 .

La presión parcial de dióxido de carbono en los pulmones es de 470 Pa, aproximadamente, cuando la presión total en los pulmones es de 1,0 atm. ¿Qué porcentaje de las moléculas de aire en los pulmones es dióxido de carbono? Compare su respuesta con el porcentaje de dióxido de carbono en la atmósfera, alrededor del 0,033 %.

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El aire seco se compone de aproximadamente 78%nitrógeno,21%oxígeno,y1%argón78%nitrógeno,21%oxígeno,y1%argón por mol, con trazas de otros gases. Un tanque de aire seco comprimido tiene un volumen de 1,76 pies cúbicos a una presión manométrica de 2.200 libras por pulgada cuadrada y una temperatura de 293 K. ¿Cuánto oxígeno contiene en moles?

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(a) Con los datos del problema anterior calcule la masa de nitrógeno, oxígeno y argón en 1 mol de aire seco. La masa molar de N2N2 es de 28,0 g/mol, la de O2O2 es de 32,0 g/mol y la del argón es de 39,9 g/mol. (b) El aire seco se mezcla con pentano (C5H12,(C5H12, masa molar 72,2 g/mol), un importante constituyente de la gasolina, en una relación aire-combustible de 15:1 en masa (aproximadamente la típica de los motores de los automóviles). Calcule la presión parcial del pentano en esta mezcla a una presión global de 1,00 atm.

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(a) Dado que el aire es 21%21% oxígeno, calcule la presión atmosférica mínima que da una presión parcial de oxígeno relativamente segura de 0,16 atm. (b) ¿Cuál es la presión mínima que da una presión parcial de oxígeno por encima del nivel rápidamente mortal de 0,06 atm? (c) La presión atmosférica en la cumbre del monte Everest (8.848 m) es de 0,334 atm. ¿Por qué algunas personas lo han escalado sin oxígeno, mientras que otras que lo han intentado, a pesar de haberse entrenado a gran altura, han tenido que dar marcha atrás?

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(a) Si la presión parcial del vapor de agua es de 8,05 torr, ¿cuál es el punto de rocío? (760torr=1atm=101,325Pa)(760torr=1atm=101,325Pa) b) En un día cálido en el que la temperatura del aire es 35°C35°C y el punto de rocío es 25°C25°C, ¿cuál es la presión parcial del agua en el aire y la humedad relativa?

2.3 Capacidad calorífica y equipartición de energía

57 .

Para que un átomo de helio tenga un momento angular diferente a cero se necesitan unos 21,2 eV de energía (es decir, 21,2 eV es la diferencia entre las energías del estado de menor energía o estado fundamental y el estado de menor energía con momento angular). El electronvoltio o eV se define como 1,60×10−19J.1,60×10−19J. Calcule la temperatura T donde esta cantidad de energía es igual a kBT/2.kBT/2. ¿Esto explica por qué podemos ignorar la energía rotacional del helio para la mayoría de los propósitos? (Los resultados para otros gases monoatómicos, y para gases diatómicos que giran alrededor del eje que une los dos átomos, tienen órdenes de magnitud comparables).

58 .

(a) ¿Cuánto calor hay que añadir para elevar la temperatura de 1,5 mol de aire de 25,0°C25,0°C a 33,0°C33,0°C a volumen constante? Suponga que el aire es completamente diatómico. (b) Repita el problema para el mismo número de moles de xenón, Xe.

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Un recipiente rígido y cerrado con 0,560 moles de un gas ideal desconocido a una temperatura de 30,0°C30,0°C se enfría a −40,0°C−40,0°C. En el proceso, se eliminan 980 J de calor del gas. ¿El gas es monoatómico, diatómico o poliatómico?

60 .

Una muestra de gas neón (Ne, masa molar M=20,2g/mol)M=20,2g/mol) a una temperatura de 13,0°C13,0°C se pone en un recipiente de acero con una masa de 47,2 g que está a una temperatura de −40,0°C−40,0°C. La temperatura final es−28,0°C−28,0°C (no se intercambia calor con el entorno y se puede desestimar cualquier cambio en el volumen del recipiente). ¿Cuál es la masa de la muestra de neón?

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Un recipiente de acero con una masa de 135 g contiene 24,0 g de amoníaco, NH3NH3, que tiene una masa molar de 17,0 g/mol. El recipiente y el gas están en equilibrio a 12,0°C12,0°C ¿Cuánto calor hay que eliminar para alcanzar una temperatura de −20,0°C−20,0°C? Ignore el cambio de volumen del acero.

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Una habitación cerrada tiene un volumen de 24m324m3 Está llena de aire, que puede suponerse diatómico, a una temperatura de 24°C24°C y una presión de 9,83×104Pa.9,83×104Pa. Se coloca un bloque de hielo de 1,00 kg en su punto de fusión. Suponga que las paredes de la habitación no transfieren calor. ¿Cuál es la temperatura de equilibrio?

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El heliox, una mezcla de helio y oxígeno, se administra a veces a pacientes hospitalizados que tienen problemas para respirar, ya que la baja masa del helio hace que sea más fácil de respirar que el aire. Suponga que el helio a 25°C25°C se mezcla con oxígeno a 35°C35°C para hacer una mezcla que sea 70%70% helio por mol. ¿Cuál es la temperatura final? Ignore cualquier flujo de calor hacia o desde los entornos, y asuma que el volumen final es la suma de los volúmenes iniciales.

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Los buzos profesionales, a veces, usan heliox, que está compuesto de 79%79% de helio y 21%21% de oxígeno por mol. Suponga que un tanque de buceo perfectamente rígido con un volumen de 11 L contiene heliox a una presión absoluta de 2,1×107Pa2,1×107Pa a una temperatura de 31°C31°C. (a) ¿Cuántos moles de helio y cuántos de oxígeno hay en el tanque? (b) El buceador desciende hasta un punto donde la temperatura del océano es 27°C27°C y usa una cantidad insignificante de la mezcla. Cuando el gas del tanque alcanza esta nueva temperatura, ¿cuánto calor se le quita?

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En las carreras de automóviles, una de las ventajas de mezclar óxido nitroso líquido (N2O)(N2O) con aire es que la ebullición del “nitroso” absorbe el calor de vaporización latente y, por tanto, enfría el aire y, finalmente, la mezcla de combustible y aire, lo que permite que entre más mezcla de combustible y aire en cada cilindro. Como una mirada muy aproximada a este proceso, suponga 1,0 mol de gas de óxido nitroso en su punto de ebullición, −88°C−88°C, se mezcla con 4,0 moles de aire (que se suponen diatómicos) a 30°C30°C. ¿Cuál es la temperatura final de la mezcla? Use la capacidad térmica medida de N2ON2O a 25°C25°C, que es 30,4J/mol°C30,4J/mol°C (la principal ventaja del óxido nitroso es que está compuesto por 1/3 de oxígeno, que es más de lo que contiene el aire, por lo que suministra más oxígeno para quemar el combustible. Otra ventaja es que su descomposición en nitrógeno y oxígeno libera energía en el cilindro).

2.4 Distribución de las velocidades moleculares

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En una muestra de sulfuro de hidrógeno (M=34,1g/mol)(M=34,1g/mol) a una temperatura de 3,00×102K,3,00×102K, estime la relación del número de moléculas que tienen velocidades muy cercanas a vrmsvrms al número que tiene velocidades muy cercanas a 2vrms.2vrms.

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Mediante la aproximación v1v1+Δvf(v)dvf(v1)Δvv1v1+Δvf(v)dvf(v1)Δv para ΔvΔv pequeño, estime la fracción de moléculas de nitrógeno a una temperatura de 3,00×102K3,00×102K que tienen velocidades entre 290 m/s y 291 m/s.

68 .

Use el método del problema anterior y estime la fracción de moléculas de óxido nítrico (NO) a una temperatura de 250 K que tienen energías entre 3,45×10−21J3,45×10−21J y3,50×10−21J3,50×10−21J.

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Cuente los cuadrados de la siguiente figura y estime la fracción de átomos de argón a T=300KT=300K que tienen velocidades entre 600 m/s y 800 m/s. La curva está correctamente normalizada. El valor de un cuadrado es su longitud medida en el eje x por su altura medida en el eje y, con las unidades dadas en esos ejes.

La figura es un trazado de f de v en segundos por metro como una función de v en metros por segundo. La escala horizontal es de 0 a 1.200 segundos por metro, con líneas de cuadrícula mayores cada 0,0005 y con líneas de cuadrícula menores cada 0,0001. La escala vertical es de 0 a 0,0025 metros por segundo, con líneas de cuadrícula mayores cada 200 y con líneas de cuadrícula menores cada 20. La función alcanza un pico en v igual a unos 350 con un valor de f de unos 0,00235. Los valores adicionales de la función en todo el rango mostrado son los siguientes, en pares ordenados de v y f: 0, 0; 100, 0,0005; 200, 0,0015; 300, 0,0022; 400, 0,0023; 500, 0,00152; 600, 0,001; 700, 0,0005; 800, 0,0002; 900, 0,0001; 1.000 y superiores, 0. De 600 a 800, la función tiene unas coordenadas aproximadas de: 600, 0,001; 620, 0,0009; 640, 0,0008; 660, 0,0007; 680, 0,0007; 700, 0,0005; 720, 0,0004; 740, 0,00035; 760, 0,0003; 780, 0,00023; 800, 0,0002.
70 .

Use un método de integración numérica como la regla de Simpson y calcule la fracción de moléculas en una muestra de gas oxígeno a una temperatura de 250 K que tienen velocidades entre 100 m/s y 150 m/s. La masa molar del oxígeno (O2)(O2) es de 32,0 g/mol. Una precisión de dos dígitos significativos es suficiente.

71 .

Calcule (a) la rapidez más probable, (b) la rapidez media y (c) la velocidad rms para moléculas de nitrógeno a 295 K.

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Repita el problema anterior para las moléculas de nitrógeno a 2.950 K.

73 .

¿A qué temperatura es la rapidez media de moléculas de dióxido de carbono (M=44,0g/mol)(M=44,0g/mol) de 510 m/s?

74 .

La rapidez más probable para las moléculas de un gas a 296 K es de 263 m/s. ¿Cuál es la masa molar del gas? (Puede que le interese averiguar cuál es la probabilidad de que el gas se convierta en algo así).

75 .

a) ¿A qué temperatura moléculas de oxígeno tienen la misma rapidez media que los átomos de helio que (M=4,00g/mol)(M=4,00g/mol) tienen 300 K? b) ¿Cuál es la respuesta a la misma pregunta sobre rapidez más probable? c) ¿Cuál es la respuesta a la misma pregunta sobre velocidades rms?

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