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Física Universitaria Volumen 2

Problemas Adicionales

Física Universitaria Volumen 2Problemas Adicionales
  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 Adicionales

76 .

En el espacio profundo entre las galaxias la densidad de las moléculas (que son en su mayoría átomos individuales) puede ser tan baja como 106átomos/m3,106átomos/m3, y la temperatura es de unos gélidos 2,7 K. ¿Cuál es la presión? (b) ¿Qué volumen (en m3m3) está ocupado por 1 mol de gas? (c) Si este volumen es un cubo, ¿cuál es la longitud de sus lados en kilómetros?

77 .

(a) Calcule la densidad en unidades del SI del aire a una presión de 1,00 atm y una temperatura de 20°C20°C, asumiendo que el aire es 78%N2,21%O2,y1%Ar78%N2,21%O2,y1%Ar, (b) Calcule la densidad de la atmósfera en Venus, suponiendo que es 96%CO2y4%N296%CO2y4%N2, con una temperatura de 737 K y una presión de 92,0 atm.

78 .

El aire del interior de un globo aerostático tiene una temperatura de 370 K y una presión de 101,3 kPa, la misma que la del aire exterior. Use la composición del aire como 78%N2,21%O2,y1%Ar78%N2,21%O2,y1%Ar, y calcule la densidad del aire dentro del globo.

79 .

Cuando una burbuja de aire sube desde el fondo hasta la cima de un lago de agua dulce su volumen aumenta en 80%80%. Si las temperaturas en el fondo y en la parte superior del lago son de 4,0 y 10 °C°C, respectivamente, ¿qué profundidad tiene el lago?

80 .

(a) Use la ecuación de los gases ideales para estimar la temperatura a la que 1,00 kg de vapor de agua (masa molar M=18,0g/molM=18,0g/mol) a una presión de 1,50×106Pa1,50×106Pa ocupa un volumen de 0,220m30,220m3. (b) Las constantes de van der Waals para el agua son a=0,5537Pa·m6/mol2a=0,5537Pa·m6/mol2 y b=3,049×10−5m3/molb=3,049×10−5m3/mol. Use la ecuación de estado de van der Waals para estimar la temperatura en las mismas condiciones. (c) La temperatura real es de 779 K. ¿Cuál estimación es mejor?

81 .

Un proceso para descafeinar el café utiliza dióxido de carbono (M=44,0g/mol)(M=44,0g/mol) a una densidad molar de, aproximadamente, 14.600mol/m314.600mol/m3 y una temperatura de, aproximadamente, 60°C60°C. (a) ¿El CO2 es un sólido, un líquido, un gas o un fluido supercrítico en esas condiciones? (b) Las constantes de van der Waals para el dióxido de carbono son a=0,3658Pa·m6/mol2a=0,3658Pa·m6/mol2 y b=4,286×10−5m3/mol.b=4,286×10−5m3/mol. Use la ecuación de van der Waals y estime la presión de CO2CO2 a esa temperatura y densidad.

82 .

En un día de invierno, cuando la temperatura del aire es 0°C,0°C, la humedad relativa es 50%50%. El aire exterior entra en el interior y se calienta hasta alcanzar una temperatura ambiente de 20°C20°C. ¿Cuál es la humedad relativa del aire dentro de la habitación? (¿Este problema muestra por qué el aire interior es tan seco en invierno?).

83 .

En un día cálido en el que la temperatura del aire es 30°C30°C, una lata de metal se enfría lentamente añadiendo trozos de hielo al agua líquida que contiene. La condensación aparece por primera vez cuando la lata alcanza 15°C15°C. ¿Cuál es la humedad relativa del aire?

84 .

(a) La gente suele pensar que el aire húmedo es “pesado”. Compare las densidades del aire con 0%0% de humedad relativa y 100%100% de humedad relativa cuando ambos están a 1 atm y 30°C30°C. Suponga que el aire seco es un gas ideal compuesto por moléculas con una masa molar de 29,0 g/mol y que el aire húmedo es el mismo gas mezclado con vapor de agua. (b) Como se analizó en el capítulo sobre las aplicaciones de las leyes de Newton, la resistencia del aire que sienten proyectiles como pelotas de béisbol y de golf es, aproximadamente, FD=CρAv2/2FD=CρAv2/2, donde ρρ es la densidad de masa del aire, A es el área de la sección transversal del proyectil y C es el coeficiente de arrastre del proyectil. Para una presión atmosférica fija, describa cualitativamente cómo cambia el alcance de un proyectil con la humedad relativa. (c) Cuando se avecina una tormenta, normalmente la humedad es alta y la presión atmosférica es baja. ¿Esas condiciones dan ventaja o desventaja a los jonroneros?

85 .

La trayectoria libre media del helio a una determinada temperatura y presión es 2,10×10−7m.2,10×10−7m. El radio de un átomo de helio puede tomarse como 1,10×10−11m1,10×10−11m. ¿Cuál es la medida de la densidad del helio en esas condiciones (a) en moléculas por metro cúbico y (b) en moles por metro cúbico?

86 .

La trayectoria libre media del metano a una temperatura de 269 K y una presión de 1,11×105Pa1,11×105Pa es de 4,81×10−8m.4,81×10−8m. Calcule el radio efectivo r de la molécula de metano.

87 .

En el capítulo sobre mecánica de fluidos, la ecuación de Bernoulli para el flujo de fluidos incompresibles se explicó en términos de cambios que afectan a un pequeño volumen dV de fluido. Dichos volúmenes son una idea fundamental en el estudio de la circulación de fluidos compresibles como los gases también. Para que se apliquen las ecuaciones de la hidrodinámica, la trayectoria libre media debe ser mucho menor que el tamaño lineal de dicho volumen, adV1/3.adV1/3. Para el aire en la estratosfera a una temperatura de 220 K y una presión de 5,8 kPa, ¿qué tamaño debe tener a para que sea 100 veces la trayectoria libre media? Tome que el radio efectivo de las moléculas de aire es 1,88×10−11m,1,88×10−11m, que es más o menos correcto para N2N2.

88 .

Calcule el número total de colisiones entre moléculas en 1,00 s en 1,00 L de gas nitrógeno a temperatura y presión estándar (0°C0°C, 1,00 atm). Use 1,88×10−10m1,88×10−10m como el radio efectivo de una molécula de nitrógeno (el número de colisiones por segundo es el recíproco del tiempo de colisión). Hay que tener en cuenta que cada colisión involucra dos moléculas, por lo que si una molécula colisiona una vez en un determinado periodo, no se puede contar la colisión de la molécula con la que chocó.

89 .

(a) Estimar la capacidad calorífica específica del sodio a partir de la ley de Dulong y Petit. La masa molar del sodio es de 23,0 g/mol. (b) ¿Cuál es el error porcentual de su estimación respecto al valor conocido? 1.230J/kg·°C1.230J/kg·°C?

90 .

Un recipiente sellado y perfectamente aislado contiene 0,630 mol de aire a 20,0°C20,0°C y una barra agitadora de hierro con 40,0 g de masa. La barra agitadora se acciona magnéticamente hasta alcanzar una energía cinética de 50,0 J y se deja frenar por la resistencia del aire. ¿Cuál es la temperatura de equilibrio?

91 .

Calcule la relación f(vp)/f(vrms)f(vp)/f(vrms) para gas hidrógeno (M=2,02g/mol)(M=2,02g/mol) a una temperatura de 77,0 K.

92 .

Resultados poco razonables. (a) Calcule la temperatura de 0,360 kg de agua, modelada como un gas ideal, a una presión de 1,01×105Pa1,01×105Pa si tiene un volumen de 0,615m30,615m3. (b) ¿Qué hay de poco razonable en esta respuesta? ¿Cómo podría obtener una respuesta mejor?

93 .

Resultados poco razonables. (a) Calcule la rapidez media de moléculas de sulfuro de hidrógeno, H2SH2S, a una temperatura de 250 K. Su masa molar es de 31,4 g/mol (b) El resultado no es muy irracional, pero ¿por qué es menos fiable que los de, por ejemplo, el neón o el nitrógeno?

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