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  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

Compruebe Lo Aprendido

2.1

Primero tenemos que calcular la masa molar (la masa de un mol) de la niacina. Para ello, debemos multiplicar el número de átomos de cada elemento en la molécula por la masa molar del elemento
(6mol de carbono)(12,0g/mol)+(5mol de hidrógeno)(1,0g/mol)+(1mol de nitrógeno)(14g/mol)+(2mol de oxígeno)(16,0g/mol)=123g/mol(6mol de carbono)(12,0g/mol)+(5mol de hidrógeno)(1,0g/mol)+(1mol de nitrógeno)(14g/mol)+(2mol de oxígeno)(16,0g/mol)=123g/mol
Entonces tenemos que calcular el número de moles en 14 mg
(14mg123g/mol)(1g1.000mg)=1,14×10−4mol.(14mg123g/mol)(1g1.000mg)=1,14×10−4mol.
Entonces, utilizamos el número de Avogadro para calcular el número de moléculas
N=nNA=(1,14×10−4mol)(6,02×1023moléculas/mol)=6,85×1019moléculas.N=nNA=(1,14×10−4mol)(6,02×1023moléculas/mol)=6,85×1019moléculas.

2.2

La densidad de un gas es igual a una constante, la masa molecular promedio, por la densidad numérica N/V. De la ley de los gases ideales, pV=NkBT,pV=NkBT, vemos que N/V=p/kBT.N/V=p/kBT. Por lo tanto, a temperatura constante, si la densidad y, en consecuencia la densidad numérica, se reduce a la mitad, la presión debe reducirse también a la mitad, y pf=0,500atm.pf=0,500atm.

2.3

La densidad es la masa por unidad de volumen, y el volumen es proporcional al tamaño de un cuerpo (como el radio de una esfera) elevado al cubo. Así, si la distancia entre las moléculas aumenta en un factor de 10, el volumen ocupado aumenta en un factor de 1.000, y la densidad disminuye en un factor de 1.000. Como suponemos que las moléculas están en contacto en los líquidos y los sólidos, la distancia entre sus centros es sobre el orden de su tamaño típico, por lo que la distancia en los gases es sobre el orden de 10 veces mayor.

2.4

Sí. Estas fluctuaciones se producen realmente para un cuerpo de cualquier tamaño en un gas, pero como el número de moléculas es inmenso para cuerpos macroscópicos, las fluctuaciones son un porcentaje minúsculo del número de colisiones y los promedios de los que se habla en esta sección varían de manera imperceptible. A grandes rasgos, las fluctuaciones son inversamente proporcionales a la raíz cuadrada del número de colisiones, por lo que para cuerpos pequeños pueden llegar a ser significativas. Esto se observó en el siglo XIX en los granos de polen en el agua y se conoce como movimiento browniano.

2.5

En un líquido las moléculas están muy juntas y chocan constantemente unas con otras. Para que un gas sea casi ideal, como lo es el aire en condiciones ordinarias, las moléculas deben estar muy separadas. Por lo tanto, la trayectoria libre media es mucho más larga en el aire.

2.6

Como el número de moles es igual y sabemos que las capacidades caloríficas molares de los dos gases son iguales, la temperatura está a medio camino entre las temperaturas iniciales, 300 K.

Preguntas Conceptuales

1 .

2 moles, ya que contendrá el doble de moléculas que el 1 mol de oxígeno.

3 .

presión

5 .

La llama contiene gas caliente (calentado por la combustión). La presión sigue siendo la presión atmosférica, en equilibrio mecánico con el aire que la rodea (o más o menos). La densidad del gas caliente es proporcional a su densidad numérica N/V (desestime la diferencia de composición entre el gas de la llama y el aire circundante). A mayor temperatura que el aire circundante, la ley de los gases ideales dice que N/V=p/kBTN/V=p/kBT es menor que la del aire circundante. Por lo tanto, el aire caliente tiene menor densidad que el aire circundante y es elevado por la fuerza de flotación.

7 .

La trayectoria libre media es inversamente proporcional al cuadrado del radio, por lo que disminuye en un factor de 4. El tiempo libre medio es proporcional a la trayectoria libre media e inversamente proporcional a la velocidad media, que a su vez es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa. Esto da un factor de 88 en el numerador, por lo que el tiempo libre medio disminuye en un factor de 2.2.

9 .

Al ser más masivos, su gravedad es más fuerte, por lo que la velocidad de escape de ellos es mayor. Al estar más alejados del Sol, son más fríos, por lo que las velocidades de las moléculas atmosféricas, incluidos el hidrógeno y el helio, son menores. La combinación de estos hechos significa que relativamente pocas moléculas de hidrógeno y de helio han escapado de los planetas exteriores.

11 .

Uno en el que se almacena el nitrógeno, como exceso de CO2CO2 provocará una sensación de asfixia, pero el exceso de nitrógeno y la insuficiencia de oxígeno no.

13 .

Menos, porque a temperaturas más bajas su capacidad calorífica era solo de 3RT/2.

15 .

a. falso; b. verdadero; c. verdadero; d. verdadero

17 .

1.200 K

Problemas

19 .

a. 0,137 atm; b pg=(1atm)T2V1T1V21atm.pg=(1atm)T2V1T1V21atm. Debido a la expansión del vidrio, V2=0,99973V2=0,99973. Multiplicar por ese factor no supone ninguna diferencia significativa.

21 .

a. 1,79×10−3mol;1,79×10−3mol; b. 0,227 mol; c 1,08×10211,08×1021 moléculas para el nitrógeno, 1,37×10231,37×1023 moléculas para el dióxido de carbono.

23 .

7,84 × 10 −2 mol 7,84 × 10 −2 mol

25 .

1,87 × 10 3 1,87 × 10 3

27 .

2,47 × 10 7 moléculas 2,47 × 10 7 moléculas

29 .

6,95×105Pa;6,95×105Pa; 6,86 atm

31 .

a. 9,14×106Pa;9,14×106Pa; b. 8,22×106Pa;8,22×106Pa; c. 2,15 K; d. no

33 .

40,7 km

35 .

a. 0,61 N; b. 0,20 Pa

37 .

a. 5,88 m/s; b. 5,89 m/s

39 .

177 m/s

41 .

4,54 × 10 3 4,54 × 10 3

43 .

a. 0,0352 mol; b 5,65×10−21J;5,65×10−21J; c. 139 J

45 .

21,1 kPa

47 .

458 K

49 .

3,22 × 10 3 K 3,22 × 10 3 K

51 .

a. 1,004; b. 764 K; c. Esta temperatura equivale a 915°F915°F, que es alto pero no imposible de alcanzar. Por lo tanto, este proceso es factible. Sin embargo, a esta temperatura puede haber otras consideraciones que dificulten el proceso (en general, el enriquecimiento del uranio por difusión gaseosa es realmente difícil y requiere muchas pasadas).

53 .

65 mol

55 .

a. 0,76 atm; b. 0,29 atm; c. La presión allí apenas supera el nivel rápidamente mortal.

57 .

4,92×105K4,92×105K; Sí, es una temperatura alta poco práctica.

59 .

poliatómico

61 .

3,08 × 10 3 J 3,08 × 10 3 J

63 .

29,2 °C 29,2 °C

65 .

−1,6 °C −1,6 °C

67 .

0,00157

69 .

Alrededor de 0,072. Las respuestas pueden variar ligeramente. Una respuesta más precisa es 0,074.

71 .

a. 419 m/s; b. 472 m/s; c. 513 m/s

73 .

541 K

75 .

2.400 K para las tres partes

Problemas Adicionales

77 .

a. 1,20kg/m31,20kg/m3; b. 65,9kg/m365,9kg/m3

79 .

7,9 m

81 .

a. fluido supercrítico; b 3,00×107Pa3,00×107Pa

83 .

40,18 % 40,18 %

85 .

a. 2,21×1027moléculas/m3;2,21×1027moléculas/m3; b. 3,67×103mol/m33,67×103mol/m3

87 .

8,2 mm

89 .

a. 1.080J/kg°C1.080J/kg°C; b. 12%12%

91 .

2e/32e/3 o 1,10 aproximadamente.

93 .

a. 411 m/s; b. Según la Tabla 2.3, el CVCV de H2SH2S es significativamente diferente del valor teórico, por lo que el modelo de gas ideal no lo describe muy bien a temperatura y presión ambiente, y la distribución de velocidad de Maxwell-Boltzmann para los gases ideales puede no mantenerse muy bien, menos aun a una temperatura más baja.

Problemas De Desafío

95 .

29,5 N/m

97 .

Al sustituir v=2kBTmuv=2kBTmu y dv=2kBTmdudv=2kBTmdu da como resultado
04π(m2kBT)3/2v2emv2/2kBTdv=04π(m2kBT)3/2(2kBTm)u2eu22kBTmdu=04πu2eu2du=4ππ4=104π(m2kBT)3/2v2emv2/2kBTdv=04π(m2kBT)3/2(2kBTm)u2eu22kBTmdu=04πu2eu2du=4ππ4=1

99 .

Al hacer la transformación de escala como en los problemas anteriores, hallamos que
v2=04π(m2kBT)3/2v2v2emv2/2kBTdv=04π2kBTmu4eu2du.v2=04π(m2kBT)3/2v2v2emv2/2kBTdv=04π2kBTmu4eu2du.
Como en el problema anterior, integramos por partes:
0u4eu2du=[12u3eu2]0+320u2eu2du.0u4eu2du=[12u3eu2]0+320u2eu2du.
De nuevo, el primer término es 0, y se nos dio en un problema anterior que la integral del segundo término es igual a π4π4. Ahora tenemos
v2=4π2kBTm32π4=3kBTm.v2=4π2kBTm32π4=3kBTm.
Al tomar la raíz cuadrada de ambos lados se obtiene el resultado deseado vrms=3kBTmvrms=3kBTm.

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