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Física universitaria volumen 2

Problemas Adicionales

Física universitaria volumen 2Problemas Adicionales

Problemas Adicionales

67.

Una bomba de calor de 300 W funciona entre el suelo, cuya temperatura es 0°C0°C, y el interior de una casa a 22°C22°C. ¿Cuál es la cantidad máxima de calor por hora que la bomba de calor puede suministrar a la casa?

68.

Un ingeniero debe diseñar un refrigerador que realice 300 J de trabajo por ciclo para extraer 2100 J de calor por ciclo de un congelador cuya temperatura es −10°C−10°C. ¿Cuál es la temperatura máxima del aire para la que se puede cumplir esta condición? ¿Es una condición razonable para imponer el diseño?

69.

Una Maquina de Carnot emplea 1,5 mol de gas nitrógeno como sustancia de trabajo, que se considera un gas diatómico ideal con γ=7/5γ=7/5 a las temperaturas de trabajo de la máquina. El ciclo de Carnot va en el ciclo ABCDA, siendo AB una expansión isotérmica. El volumen en los puntos A y C del ciclo es 5,0×10−3m35,0×10−3m3 y 0,15 L, respectivamente. La máquina funciona entre dos baños térmicos de temperatura 500 K y 300 K. (a) Halle los valores del volumen en B y D. (b) ¿Cuánto calor absorbe el gas en la expansión isotérmica AB? (c) ¿Cuánto trabajo realiza el gas en la expansión isotérmica AB? (d) ¿Cuánto calor cede el gas en la expansión isotérmica CD? (e) ¿Cuánto trabajo realiza el gas en la compresión isotérmica CD? (f) ¿Cuánto trabajo realiza el gas en la expansión adiabática BC? (g) ¿Cuánto trabajo realiza el gas en la compresión adiabática DA? (h) Halle el valor del rendimiento de la máquina en función del trabajo neto y del aporte de calor. Compare este valor con el rendimiento de una máquina de Carnot en función de las temperaturas de los dos baños.

70.

Un bloque de madera de 5,0 kg comienza con una velocidad inicial de 8,0 m/s y se desliza por el suelo hasta que la fricción lo detiene. Estime el cambio resultante en la entropía del universo. Supongamos que todo se mantiene a una temperatura ambiente de 20°C20°C.

71.

Un sistema formado por 20,0 mol de un gas ideal monoatómico se enfría a presión constante desde un volumen de 50,0 L a 10,0 L. La temperatura inicial era de 300 K. ¿Cuál es el cambio de entropía del gas?

72.

Un vaso de cristal de masa 400 g contiene 500 g de agua a 27°C27°C. El vaso se calienta de forma reversible para que la temperatura del vaso y del agua aumente gradualmente hasta 57°C57°C. Halle el cambio de entropía del vaso de precipitados y del agua juntos.

73.

Una Maquina de Carnot funciona entre baños de 550°C550°C y 20°C20°C y produce 300 kJ de energía en cada ciclo. Halle el cambio de entropía del (a) baño caliente y (b) baño frío, en cada ciclo de Carnot?

74.

Un gas ideal a temperatura T se almacena en la mitad izquierda de un recipiente aislante de volumen V mediante una división de volumen despreciable (vea más adelante). ¿Cuál es el cambio de entropía por mol del gas en cada uno de los siguientes casos? (a) Se retira repentinamente la división y el gas llena rápidamente todo el recipiente. (b) Se perfora un pequeño agujero en la división y, tras un largo periodo, el gas alcanza un estado de equilibrio tal que no hay flujo neto a través del agujero. (c) La división se mueve muy lentamente y de forma adiabática hasta la pared derecha, de forma que el gas llena finalmente todo el recipiente.

La figura muestra un recipiente que está lleno de gas en la mitad izquierda y está vacío en la mitad derecha.
75.

Una pieza de aluminio de 0,50 kg a 250°C250°C se deja caer en 1,0 kg de agua a 20°C20°C. Una vez alcanzado el equilibrio, ¿cuál es el cambio neto de entropía del sistema?

76.

Supongamos que 20 g de hielo a 0°C0°C se añade a 300 g de agua a 60°C60°C. ¿Cuál es el cambio total de entropía de la mezcla después de alcanzar el equilibrio térmico?

77.

Una máquina térmica funciona entre dos temperaturas de forma que la sustancia de trabajo de la máquina absorbe 5.000 J de calor del baño de alta temperatura y descarga 3.000 J al baño de baja temperatura. El resto de la energía se convierte en energía mecánica de la turbina. Calcule (a) la cantidad de trabajo producido por la máquina y (b) la eficiencia de la máquina.

78.

Una máquina temperatura produce 4 MJ de energía eléctrica mientras funciona entre dos baños térmicos de diferentes temperaturas. La sustancia de trabajo de la máquina descarga 5 MJ de calor al baño de temperatura fría. ¿Cuál es la eficiencia de la máquina?

79.

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

80.

Una máquina de Carnot funciona en un ciclo de Carnot entre una fuente de calor a 550°C550°C y un disipador de calor en 20°C.20°C. Calcule el rendimiento de la máquina de Carnot.

81.

Una máquina de Carnot que trabaja entre dos baños de calor de temperaturas 600 K y 273 K completa cada ciclo en 5 s. En cada ciclo, la máquina absorbe 10 kJ de calor. Halle la potencia de la máquina.

82.

Un ciclo de Carnot que funciona entre 100°C100°C y 30°C30°C se utiliza para conducir un refrigerador entre −10°C−10°C y 30°C.30°C. ¿Cuánta energía debe producir la máquina de Carnot por segundo para que el refrigerador sea capaz de desechar 10 J de energía por segundo?

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