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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

79 .

Considere el proceso que se muestra a continuación. Durante los pasos AB y BC, se añaden al sistema 3.600 J y 2.400 J de calor, respectivamente. (a) Halle el trabajo realizado en cada uno de los procesos AB, BC, AD y DC. (b) Halle el cambio de energía interna en los procesos AB y BC. (c) Halle la diferencia de energía interna entre los estados C y A. (d) Halle el calor total añadido en el proceso ADC. (e) A partir de la información dada, ¿puede calcular el calor añadido en el proceso AD? ¿Por qué sí o por qué no?

La figura es un trazado de presión, p, en atmósferas en el eje vertical como una función de volumen, V, en litros en el eje horizontal. La escala horizontal de volumen va de 0 a 7, y la escala vertical de presión va de 0 a 5. Cuatro puntos, A, B, C y D, están identificados en el gráfico, y sus presiones y volúmenes están identificados en los ejes. El punto A está a un volumen de 3 L, con una presión de 2 atmósferas. El punto B está a un volumen de 3 L, con una presión de 5 atmósferas. El punto C está a un volumen de 7 L, con una presión de 5 atmósferas. El punto D está a un volumen de 7 L, con una presión de 2 atmósferas. Una trayectoria va de A a B y cruza a C. Otra trayectoria va de A a D y luego a C.
80 .

Un neumático de automóvil contiene 0,0380m30,0380m3 de aire a una presión de 2,20×105Pa2,20×105Pa (unos 32 psi). ¿Cuánta más energía interna tiene este gas que la que tiene el mismo volumen a presión manométrica cero (que equivale a la presión atmosférica normal)?

81 .

Un globo de juguete lleno de helio tiene una presión manométrica de 0,200 atm y un volumen de 10,0 L. ¿Cuánto mayor es la energía interna del helio en el globo de lo que sería a presión manométrica cero?

82 .

El vapor para accionar una locomotora de vapor antigua se suministra a una presión manométrica constante de 1,75×106N/m21,75×106N/m2 (unos 250 psi) a un pistón con un radio de 0,200 m. (a) Al calcular pΔVpΔV, calcule el trabajo realizado por el vapor cuando el pistón se mueve 0,800 m. Tome en cuenta que este es el trabajo neto realizado, ya que se utiliza la presión manométrica. (b) Ahora halle la cantidad de trabajo al calcular la fuerza ejercida por la distancia recorrida. ¿La respuesta es la misma que en la parte (a)?

83 .

Una bomba de neumáticos manual tiene un pistón con un diámetro de 2,50 cm y un tiro máximo de 30,0 cm. (a) ¿Cuánto trabajo realiza en un tiro si la presión manométrica promedio 2,4×105N/m22,4×105N/m2 (unos 35 psi)? b) ¿Qué fuerza promedio ejerce sobre el pistón si desestima fricción y fuerza gravitacional?

84 .

Calcule la producción de trabajo neto de una máquina térmica que sigue la trayectoria ABCDA como se muestra a continuación.

La figura es un gráfico de presión, p, en nuits de 10 a los 6 newtons por metro cuadrado en el eje vertical como una función de volumen, V, en 10 a los menos 3 metros cúbicos en el eje horizontal. La escala horizontal de volumen va de 0 a 4, y la escala vertical de presión va de 0 a 4 aproximadamente. Cuatro puntos, A, B, C y D, están identificados en el gráfico, y sus presiones y volúmenes están identificados en los ejes. El punto A tiene un volumen de 1,0 veces 10 a los –3 metros cúbicos, una presión de 2,6 veces 10 a los 6 newtons por metro cuadrado. El punto B tiene un volumen de 4,0 veces 10 a los –3 metros cúbicos, una presión de 2,0 veces 10 a los 6 newtons por metro cuadrado. El punto C tiene un volumen de 4,0 veces 10 a los –3 metros cúbicos, una presión de 0,6 veces 10 a los 6 newtons por metro cuadrado. El punto D tiene un volumen de 1,0 vez 10 a los –3 metros cúbicos, una presión de 1,0 vez 10 a los 6 newtons por metro cuadrado. Una línea recta conecta A con B, otra línea recta B con C, otra línea recta C con D y otra línea recta de vuelta hasta A.
85 .

¿Cuál es el trabajo neto de una máquina térmica que sigue la trayectoria ABDA del problema anterior con una línea recta de B a D? ¿Por qué el rendimiento del trabajo es menor que el de la trayectoria ABCDA?

86 .

Cinco moles de un gas ideal monoatómico en un cilindro a 27°C27°C se expanden isotérmicamente de un volumen de 5 L a 10 L. (a) ¿Cuál es el cambio en la energía interna? (b) ¿Cuánto trabajo se realizó sobre el gas en el proceso? (c) ¿Cuánto calor se transfirió al gas?

87 .

Cuatro moles de un gas ideal monoatómico en un cilindro a 27°C27°C se expanden a presión constante igual a 1 atm hasta que su volumen se duplica. (a) ¿Cuál es el cambio en la energía interna? (b) ¿Cuánto trabajo realizó el gas en el proceso? (c) ¿Cuánto calor se transfirió al gas?

88 .

El gas helio se enfría de 20°C20°C a 10°C10°C y se expande de 40 atm a 1 atm. Si hay 1,4 mol de helio, (a) ¿cuál es el volumen final de helio? (b) ¿Cuál es el cambio de energía interna?

89 .

En un proceso adiabático, el gas oxígeno en un recipiente se comprime a lo largo de una trayectoria que puede describirse mediante la siguiente presión en atm como una función de volumen V, con V0=1LV0=1L: p=(3,0atm)(V/V0)−1,2p=(3,0atm)(V/V0)−1,2. Los volúmenes inicial y final durante el proceso fueron de 2 L y 1,5 L, respectivamente. Calcule la cantidad de trabajo realizado en el gas.

90 .

Un cilindro que contiene tres moles de un gas ideal monoatómico se calienta a una presión constante de 2 atm. La temperatura del gas cambia de 300 K a 350 K como consecuencia de la expansión. Calcule el trabajo realizado (a) sobre el gas; y (b) por el gas.

91 .

Un cilindro que contiene tres moles de gas nitrógeno se calienta a una presión constante de 2 atm. La temperatura del gas cambia de 300 K a 350 K como consecuencia de la expansión. Calcule el trabajo realizado (a) en el gas, y (b) por el gas mediante la ecuación de estado de van der Waals en vez de la ley de los gases ideales.

92 .

Dos moles de un gas ideal monoatómico como el helio se comprimen adiabáticamente y de forma reversible desde un estado (3 atm, 5 L) a un estado con una presión de 4 atm. (a) Calcule el volumen y la temperatura del estado final. (b) Calcule la temperatura del estado inicial. (c) Calcule el trabajo realizado por el gas en el proceso. (d) Calcule el cambio de energía interna en el proceso. Suponga que CV=5RCV=5R y Cp=CV+RCp=CV+R para el gas ideal diatómico en las condiciones dadas.

93 .

Un recipiente aislado contiene 1,5 moles de argón a 2 atm. El gas ocupa inicialmente un volumen de 5 L. Como consecuencia de la expansión adiabática la presión del gas se reduce a 1 atm. (a) Calcule el volumen y la temperatura del estado final. (b) Calcule la temperatura del gas en el estado inicial. (c) Calcule el trabajo realizado por el gas en el proceso. (d) Calcule el cambio en la energía interna del gas en el proceso.

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