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Problemas

4.1 Procesos reversibles e irreversibles

18.

Un reservorio contiene 111,0 g de cloro gaseoso (Cl2),(Cl2), que está a la temperatura 82,0°C82,0°C y la presión absoluta 5,70×105Pa.5,70×105Pa. La temperatura del aire fuera del tanque es 20,0°C20,0°C. La masa molar de Cl2Cl2 es de 70,9 g/mol. (a) ¿Cuál es el volumen del reservorio? (b) ¿Cuál es la energía interna del gas? (c) ¿Cuál es el trabajo realizado por el gas si la temperatura y la presión dentro del depósito descienden a 31,0°C31,0°C y 3,80×105Pa3,80×105Pa, respectivamente, debido a una fuga?

19.

Un mol de gas monoatómico ideal a 0°C0°C y 1,00 atm se calienta para expandirse isobáricamente hasta triplicar su volumen. ¿Cuánto calor se transfiere durante el proceso?

20.

Un mol de un gas ideal a presión 4,00 atm y temperatura 298 K se expande isotérmicamente hasta duplicar su volumen. ¿Cuál es el trabajo realizado por el gas?

21.

Después de una expansión libre hasta cuadruplicar su volumen, un mol de gas diatómico ideal se comprime de nuevo a su volumen original adiabáticamente y luego se enfría hasta su temperatura original. ¿Cuál es el calor mínimo que se elimina del gas en el último paso para restablecer su estado?

4.2 Máquinas térmicas

22.

Un motor tiene un rendimiento de 0,40. Si realiza 200 J de trabajo por ciclo, ¿cuáles son las cantidades correspondientes de calor absorbido y descargado?

23.

Al realizar 100,0 J de trabajo, una máquina descarga 50,0 J de calor. ¿Cuál es la eficiencia de la máquina?

24.

Una máquina con un rendimiento de 0,30 absorbe 500 J de calor por ciclo. (a) ¿Cuánto trabajo realiza por ciclo? (b) ¿Cuánto calor descarga por ciclo?

25.

Se comprueba que una máquina descarga 100,0 J mientras absorbe 125,0 J en cada ciclo de funcionamiento. (a) ¿Cuál es el rendimiento de la máquina? (b) ¿Cuánto trabajo realiza por ciclo?

26.

La temperatura del reservorio frío de la máquina es de 300 K. Tiene un rendimiento de 0,30 y absorbe 500 J de calor por ciclo. (a) ¿Cuánto trabajo realiza por ciclo? (b) ¿Cuánto calor descarga por ciclo?

27.

Una máquina absorbe tres veces más calor del que descarga. El trabajo realizado por la máquina por ciclo es de 50 J. Calcule (a) el rendimiento de la máquina, (b) el calor absorbido por ciclo y (c) el calor descargado por ciclo.

28.

Una central eléctrica de carbón consume 100.000 kg de carbón por hora y produce 500 MW de energía. Si el calor de combustión del carbón es de 30 MJ/kg, ¿cuál es el rendimiento de la central eléctrica?

4.3 Refrigeradores y bombas de calor

29.

Un refrigerador tiene un coeficiente de rendimiento de 3,0. (a) Si requieren 200 J de trabajo por ciclo, ¿cuánto calor por ciclo desecha el reservorio frío? (b) ¿Cuánto calor por ciclo desecha el reservorio caliente?

30.

Durante un ciclo, un refrigerador extrae 500 J de un reservorio frío y descarga 800 J a su reservorio caliente. (a) ¿Cuál es su coeficiente de rendimiento? (b) ¿Cuánto trabajo por ciclo necesita para funcionar?

31.

Si un refrigerador desecha 80 J de calor por ciclo y su coeficiente de rendimiento es de 6,0, ¿cuáles son (a) la cantidad de calor que extrae por ciclo de un reservorio frío y (b) la cantidad de trabajo por ciclo necesaria para su funcionamiento?

32.

Un refrigerador tiene un coeficiente de rendimiento de 3,0. (a) Si requieren 200 J de trabajo por ciclo, ¿cuánto calor por ciclo desecha el reservorio frío? (b) ¿Cuánto calor por ciclo desecha el reservorio caliente?

4.5 El ciclo de Carnot

33.

Las temperaturas de los reservorios frío y caliente entre los que funciona un refrigerador de Carnot son de −73°C−73°C y 270°C270°C, respectivamente. ¿Cuál es su coeficiente de rendimiento?

34.

Supongamos que un refrigerador de Carnot funciona entre TcyTh.TcyTh. Calcule la cantidad de trabajo necesaria para extraer 1,0 J de calor del reservorio frío si (a) Tc=7°CTc=7°C, Th=27°CTh=27°C; (b) Tc=−73°CTc=−73°C, Th=27°C;Th=27°C; (c) Tc=-173°CTc=-173°C, Th=27°CTh=27°C; y (d) Tc=−273°CTc=−273°C, Th=27°CTh=27°C.

35.

Una máquina de Carnot funciona entre reservorios a 600 y 300 K. Si la máquina absorbe 100 J por ciclo en el reservorio caliente, ¿cuál es su producción de trabajo por ciclo?

36.

Una máquina de 500 W hace funcionar un refrigerador de Carnot entre −5°C−5°C y 30°C30°C. (a) ¿Cuál es la cantidad de calor por segundo que se extrae del interior del refrigerador? (b) ¿Cuánto calor se expulsa al aire exterior por segundo?

37.

Dibuje un ciclo de Carnot en un diagrama de temperatura-volumen.

38.

Una bomba de calor de Carnot funciona entre 0°C0°C y 20°C20°C. ¿Cuánto calor se escapa al interior de una casa por cada 1,0 J de trabajo que realiza la bomba?

39.

Una máquina que funciona entre reservorios de calor a 20°C20°C y 200°C200°C extrae 1.000 J por ciclo del reservorio caliente. (a) ¿Cuál es el máximo trabajo posible que puede realizar la máquina por ciclo? (b) Para este trabajo máximo, ¿cuánto calor se expulsa al reservorio frío por ciclo?

40.

Supongamos que una máquina de Carnot puede funcionar entre dos reservorios como máquina térmica o como refrigerador. ¿Cómo se relaciona el coeficiente de rendimiento del refrigerador con el rendimiento de la máquina térmica?

41.

Una máquina de Carnot se utiliza para medir la temperatura de un reservorio de calor. La máquina funciona entre el reservorio de calor y un reservorio formado por agua en su punto triple. (a) Si se extraen 400 J por ciclo del reservorio de calor mientras se depositan 200 J por ciclo en el reservorio de punto triple, ¿cuál es la temperatura del reservorio de calor? (b) Si se extraen 400 J por ciclo del reservorio de punto triple mientras se depositan 200 J por ciclo del reservorio de calor, ¿cuál es la temperatura del reservorio de calor?

42.

¿Cuál es el trabajo mínimo que debe realizar un refrigerador si se quiere extraer 50 J por ciclo del interior de un congelador a −10°C−10°C y el calor de escape al aire a 25°C25°C?

4.6 Entropía

43.

Se extraen 200 julios de calor de un reservorio de calor a una temperatura de 200 K. ¿Cuál es el cambio de entropía del reservorio?

44.

En una expansión isotérmica reversible a 27°C27°C, un gas ideal realiza 20 J de trabajo. ¿Cuál es el cambio de entropía del gas?

45.

Un gas ideal a 300 K se comprime isotérmicamente hasta una quinta parte de su volumen original. Determine el cambio de entropía por mol del gas.

46.

¿Cuál es el cambio de entropía de 10 g de vapor a 100°C100°C cuando se condensa en agua a la misma temperatura?

47.

Se utiliza una varilla de metal para conducir el calor entre dos reservorios a temperaturas ThyTc,ThyTc, respectivamente. Cuando una cantidad de calor Q fluye a través de la varilla desde el reservorio caliente al frío, ¿cuál es el cambio neto de entropía de la varilla, el reservorio caliente, el reservorio frío y el universo?

48.

Para el ciclo de Carnot de la Figura 4.12, ¿cuál es el cambio de entropía del reservorio caliente, del reservorio frío y del universo?

49.

Un trozo de plomo de 5,0 kg a una temperatura de 600°C600°C se coloca en un lago, cuya temperatura es 15°C15°C. Determine el cambio de entropía de (a) la pieza de plomo, (b) el lago y (c) el universo.

50.

Un mol de un gas ideal duplica su volumen en una expansión isotérmica reversible. (a) ¿Cuál es el cambio de entropía del gas? (b) Si se añaden 1500 J de calor en este proceso, ¿cuál es la temperatura del gas?

51.

Un mol de un gas monoatómico ideal está confinado en un recipiente rígido. Cuando se añade calor al gas de forma reversible, su temperatura cambia de T1aT2.T1aT2. (a) ¿Cuánto calor se añade? (b) ¿Cuál es el cambio de entropía del gas?

52.

(a) Una roca de 5,0 kg a una temperatura de 20°C20°C se deja caer en un lago poco profundo también en 20°C20°C desde una altura de 1,0×103m1,0×103m. ¿Cuál es el cambio resultante en la entropía del universo? (b) Si la temperatura de la roca es 100°C100°C cuando se deja caer, ¿cuál es el cambio de entropía del universo? Supongamos que la fricción del aire es despreciable (no es una buena suposición) y que c=860J/kg·Kc=860J/kg·K es el calor específico de la roca.

4.7 Entropía a escala microscópica

53.

Una varilla de cobre con un área de sección transversal 5,0cm25,0cm2 y una longitud de 5,0 m conduce el calor desde un reservorio de calor a 373 K a otro a 273 K. ¿Cuál es la tasa de cambio temporal de la entropía del universo para este proceso?

54.

Cincuenta gramos de agua a 20°C20°C se calienta hasta que se convierte en vapor a 100°C100°C. Calcule el cambio de entropía del agua en este proceso.

55.

Cincuenta gramos de agua a 0°C0°C se transforman en vapor en 100°C100°C. ¿Cuál es el cambio de entropía del agua en este proceso?

56.

En un proceso isocórico, se añade calor a 10 mol de gas ideal monoatómico cuya temperatura aumenta de 273 a 373 K. ¿Cuál es el cambio de entropía del gas?

57.

Doscientos gramos de agua a 0°C0°C se pone en contacto con un reservorio de calor a 80°C80°C. Una vez alcanzado el equilibrio térmico, ¿cuál es la temperatura del agua? ¿Del reservorio? ¿Cuánto calor se ha transferido en el proceso? ¿Cuál es el cambio de entropía del agua? ¿Del reservorio? ¿Cuál es el cambio de entropía del universo?

58.

Supongamos que la temperatura del agua del problema anterior se eleva llevándola primero al equilibrio térmico con un reservorio a una temperatura de 40°C40°C y luego con un reservorio a 80°C80°C. Calcule los cambios de entropía de (a) cada reservorio, (b) del agua y (c) del universo.

59.

Doscientos gramos de agua a 0°C0°C se ponen en contacto en equilibrio térmico sucesivamente con los reservorios a 20°C20°C, 40°C40°C, 60°C60°C, y 80°C80°C. (a) ¿Cuál es el cambio de entropía del agua? (b) ¿Del reservorio? (c) ¿Cuál es el cambio de entropía del universo?

60.

a) Diez gramos de H2OH2O comienzan como hielo a 0°C0°C. El hielo absorbe el calor del aire (justo por encima de 0°C0°C) hasta que se derrita todo. Calcule el cambio de entropía del H2OH2O, del aire y del universo. (b) Supongamos que el aire de la parte (a) está a 20°C20°C en lugar de 0°C0°C y que el hielo absorbe el calor hasta convertirse en agua a 20°C20°C. Calcule el cambio de entropía del H2OH2O, del aire y del universo. (c) ¿Es alguno de estos procesos reversible?

61.

El ciclo de Carnot está representado por el diagrama temperatura-entropía que se muestra a continuación. (a) ¿Cuánto calor se absorbe por ciclo en el reservorio de alta temperatura? (b) ¿Cuánto calor se agota por ciclo en el reservorio de baja temperatura? (c) ¿Cuánto trabajo realiza el motor por ciclo? (d) ¿Cuál es el rendimiento del motor?

La figura muestra una gráfica con el eje x S en J dividido por K y el eje y T en K. Los cuatro puntos A (2,0, 600), B (4,0, 600), C (4,0, 300) y D (2,0, 300) están conectados para formar un bucle cerrado.
62.

Una Maquina de Carnot que funciona entre reservorios de calor a 500 y 300 K absorbe 1500 J por ciclo en el reservorio de alta temperatura. (a) Represente el ciclo de la máquina en un diagrama de temperatura-entropía. (b) ¿Cuánto trabajo por ciclo realiza la máquina?

63.

Un gas ideal monoatómico (n moles) pasa por un proceso cíclico que se muestra a continuación. Halle el cambio de entropía del gas en cada paso y el cambio de entropía total en todo el ciclo.

La figura muestra un gráfico de bucle cerrado con tres puntos 1, 2 y 3. El eje x es V y el eje y es p. El valor de V en 1 y 2 es igual y el valor de p en 2 y 3 es igual.
64.

Una Maquina de Carnot tiene un rendimiento de 0,60. Cuando la temperatura de su reservorio frío cambia, la eficiencia baja a 0,55. Si inicialmente Tc=27°CTc=27°C, determine (a) el valor constante de ThTh y (b) el valor final de TcTc.

65.

Una Maquina de Carnot realiza 100 J de trabajo mientras descarga 200 J de calor en cada ciclo. Una vez ajustada la temperatura solo del reservorio caliente, se comprueba que la máquina realiza ahora 130 J de trabajo desechando la misma cantidad de calor. (a) ¿Cuáles son los rendimientos inicial y final de la máquina? (b) ¿Cuál es el cambio fraccionario de la temperatura del reservorio caliente?

66.

Un refrigerador de Carnot expulsa el calor al aire, que está a una temperatura de 25°C25°C. ¿Cuánta energía utiliza el refrigerador si congela 1,5 g de agua por segundo? Supongamos que el agua está a 0°C0°C.

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