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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

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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