Processing math: 52%
Ir al contenido principal

Termodinámica: Trabajo y Primera Ley de la Termodinámica

Trabajo

  1. Un cuerpo de 700 g se desliza 120 cm a lo largo de una mesa horizontal ¿Cuál es el trabajo que realiza la mesa sobre el cuerpo si la fuerza de roce es 1,37 N?
  2. Un alambre metálico con módulo de young Y, de largo L y sección transversal de área A, se estira isotérmica y reversiblemente al aumentar la tracción desde Fi hasta Ff. Determine
    1. Una expresión para el trabajo realizado por la tracción.
    2. El trabajo realizado por la tracción desde Fi=100 lbf hasta Ff=150 lbf si el alambre es de cobre de largo L=5,50 ft y sección transversal de área A=6,20×103 in2.
  3. Una barra de largo L, cuya sección transversal es de área A está sujeta a una tensión normal de compresión constante. Si la temperatura de la barra aumenta desde Ti hasta Tf, el módulo de young de la barra es Y y el coeficiente de dilatación térmico es α, determine
    1. El trabajo reversible sobre la barra.
    2. El trabajo reversible sobre el ambiente si se trata de una barra de bronce de largo 2,50 m y sección transversal de diámetro d=5,00 cm sujeta a una compresión de 750 kN cuando la temperatura aumenta desde 10,0C hasta 60,0C.
  4. La siguiente ecuación de estado describe una barra sólida de sección transversal de área A perfectamente elástica

    σ=KT(LL0L20L2)

    donde σ es la tensión normal, T es su temperatura, L es largo de la barra, K es una constante y L0 una función de la temperatura con unidades de longitud. Determine el trabajo necesario para comprimir la barra desde L=L0 hasta L=L0/2 de manera cuasiestática e isotérmica, si el área de su sección transversal es A.
  5. Obtenga el trabajo que realiza el agua si la presión aumenta desde 1,0 atm a 100 atm cuando la densidad del agua permanece constante.
  6. Un cilindro provisto de un pistón contiene 40,0 ft3 de un fluido a una presión de 15,0 psi y a una temperatura de 300 K. La presión se aumenta reversiblemente hasta 1,200 psi manteniéndose la temperatura constante. Determine
    1. El trabajo realizado por el sistema si el fluido es un gas ideal.
    2. El trabajo realizado por el sistema si el fluido es un líquido con coeficiente de compresibilidad isotérmico 2,40×106 1/psi.
    3. La variación de volumen en cada caso anterior.
  7. Determine el trabajo molar ˉw que realiza un gas en una expansión isotérmica reversible desde el volumen molar ˉvi a ˉvf si satisface la ecuación de estado:
    1. Gas ideal pˉv=RT
    2. Van der Waals (p+aˉv2)(ˉvb)=RT
  8. En una expansión adiabática cuasiestática de un gas ideal se obtiene que la presión es dada por pVγ=C donde γ, el índice adiabático índice adiabático y C son constantes. Obtenga el trabajo adiabático en función de la presión inicial, el volumen inicial, la presión final y el volumen final.
  9. Indicación: El índice adiabático será introducido más adelante en el curso.

  10. Considere 2,50 kg de agua líquida a 60,0C cuya densidad es 983,20 kg/m3 que se calienta a 1,00 atm de presión hasta alcanzar el punto de ebullición a 100,0C. Manteniendo la presión constante, el agua hierve completamente. El volumen específico de líquido saturado es 1,0432×103 m3/kg y el de vapor saturado 1,694 m3/kg. Determine
    1. El trabajo que realiza el agua líquida sobre el ambiente desde los 60,0C hasta los 100,0C.
    2. El trabajo que realiza el agua al ebullir completamente.
    3. El trabajo total que realiza el agua desde los 60,0C hasta que ebulle completamente ¿Es necesario tomar en cuenta el trabajo en la fase líquida?

Primera Ley de la Termodinámica

  1. En cierto proceso se suministran a un sistema 500 cal y al mismo tiempo se realizan sobre el sistema 100 J de trabajo mecánico. Determine la variación de la energía interna del sistema.
  2. Un inventor afirma que ha desarrollado una máquina que extrae 100,000 BTU de una fuente térmica, entrega 25,000 BTU al escape y realiza 25,0 kWh de trabajo mecánico. ¿Invertiría usted dinero en esta máquina? Otro inventor afirma que su máquina extrae 100,000 kcal de una fuente térmica, entrega 14,000 kcal al escape y realiza 100,0 kWh de trabajo mecánico. ¿Invertiría en esta segunda máquina?
  3. Un balón de fútbol de masa 450 g es soltado desde una altura de 10.0 m, el balón impacta el suelo y alcanza una altura máxima de 4.0 m. Determine
    1. La perdida de energía mecánica durante el impacto.
    2. El tipo de proceso que experimenta el aire contenido en el balón si se considera el forro como aislante térmico (podría ser cuero).
    3. El cambio en la energía interna del aire contenido en el balón.
  4. Una barra de hierro de largo L=75,0 cm y diámetro d=2,50 cm absorbe 64,8 J de calor y se calienta desde 15,0C hasta 65,0C. Si la barra se encuentra sujeta a una tensión normal compresora constante de 114 MPa, obtenga
    1. El trabajo que realiza la barra.
    2. El cambio en la energía de la barra.
  5. Un hervidor eléctrico doméstico está formado por un resistor eléctrico que disipa energía en forma de calor hacia el agua que se desea calentar. Suponga que un hervidor consume 1,80 kW cuando se pone a hervir 1,5 l de agua originalmente a 10C. Calcule
    1. El trabajo que realiza el agua sobre el ambiente mientras se calienta desde 10C hasta ebullir (100C). ¿Qué tipo de proceso es este?
    2. El calor que absorbe el agua si hierve tras 12 min de funcionamiento, considerando que el hervidor tiene una eficiencia del 60% (De cada 100 partes de energía consumida, 60 se usan para calentar el agua.)
    3. El cambio en la energía interna del agua.
  6. Un gas se expande contra una presión de 2.00 atm desde 10,0 l a 20,0 l y absorbe una cantidad de calor de 1255 J ¿Cuál es el cambio en la energía interna del gas?
  7. Un gas se expande de manera cuasiestática contra una presión variable opuesta dada por la relación p=a/V, donde a=29,963×103 ftlb y V es el volumen del gas en cada etapa de la expansión. Cuando el gas se expande desde 0,250 ft3 a 2,50 ft3, el gas experimenta un cambio de energía de 29,82 kJ. Calcule el calor absorbido por el gas durante el proceso
  8. Considere dos litros de un fluido contenido en un recipiente de paredes blandas (no rígidas) de masa despreciable inicialmente en reposo a una presión constante de 120,0 atm. El fluido se eleva desde el suelo mediante un elevador hasta alcanzar 15,0 m de altura donde nuevamente queda en reposo. Durante el ascenso, el fluido se calienta desde 20C hasta 25C recibiendo calor de una estufa. Calcule el cambio de energía potencial gravitacional, el cambio de energía cinética, el trabajo en la expansión del fluido y el cambio de energía interna
    1. Si el fluido es mercurio líquido (Hg), cuya densidad inicial es 13600 kg/m3, el trabajo que realiza el elevador es 4,200 kJ y el calor recibido es 18,724 kJ.
    2. Si el fluido es gas helio (He), el trabajo que realiza el elevador es 10,0 J y el calor recibido es 1,448 kJ.
    3. En virtud de sus resultados ¿Qué magnitudes podrían haber sido despreciadas en el caso del líquido y en el caso del gas?

Constantes, datos y factores de conversión

  • Aceleración de gravedad estándar
    g=9,81m/s2=32,2ft/s2.
  • Presión atmosférica estándar
    patm1atm101325Pa=2116,2lb/ft2=14,696 psi.
  • Temperatura del cero absoluto
    T0K0 K0 R273,15C459,67F.
  • Constante Universal de los gases
    R=8,314 Pam3molK=1545 ftlbflbmolR
  • Masa atómica del helio \ce{He}
    M_{\ce{He}}=4{,}00\ \mt{g/mol}.
  • Densidad de masa del agua \ce{H2O}
    \rho_{_{\ce{H2O}}}=1{,}00\times 10^3\ \mt{kg/m^3}=62{,}4\ \mt{lb_m/ft^3}.
  • Módulo de Young del cobre \ce{Cu}
    Y_{\ce{Cu}}=2{,}44\times 10^{5}\ \mt{psi}.
  • Módulo de Young del bronce
    Y_\text{bronce}=100\ \mt{GPa}.
  • Módulo de Young del hierro \ce{Fe}
    Y_{\ce{Fe}}=190\ \mt{GPa}.
  • Coeficiente de dilatación lineal del bronce
    \alpha_\text{bronce}= 1{,}7\times 10^{-5}\ \mt{1/K}.
  • Coeficiente de dilatación lineal del hierro \ce{Fe}
    \alpha_{_{\ce{Fe}}}= 1{,}18\times 10^{-5}\ \mt{1/K}.
  • Coeficiente de dilatación volumétrica del agua \ce{H2O}
    \gamma_{_{\ce{H_2O}}}=4{,}80\times 10^{-4}\ \mt{1/^\circ\mt{C}}.
  • Coeficiente de dilatación volumétrica del mercurio \ce{Hg}
    \gamma_{_{\ce{Hg}}}=1{,}81\times 10^{-4}\ \mt{1/K}.
  • Coeficiente de compresibilidad isotérmico del agua a 20^\circ\mt{C}
    \kappa_{_T}^{_{\ce{H2O}}}=4{,}591\times 10^{-4}\ \mt{1/MPa}.
  • 1\,\mt{ft}\equiv 30{,}48\,\mt{cm}\equiv 12\,\mt{in}.
  • 1\,\mt{lb_m}= 453{,}6\,\mt{g}.
  • 1\,\mt{lb_f}\equiv 1\,\mt{lb_m}\times g=4{,}45\,\mt{N}.
  • 1\,\mt{slug}\equiv 1\,\mt{\frac{lb_f}{ft/s^2}}= 32{,}2\,\mt{lb_m}.
  • 1\ \mt{bar}\equiv 10^5\ \mt{Pa}=2\,088{,}5\ \mt{lb/ft^2}=14{,}504\ \mt{psi}.
  • 1\ \mt{cal}\equiv 4{,}184\ \mt{J}.
  • 1\ \mt{BTU}= 1{,}054\ \mt{kJ}.
  • 1\ \mt{kWh}\equiv 3{,}6\ \mt{MJ}\equiv 3\,600\ \mt{kJ}.
  • 1\ \mt{ft\cdot lb}= 1{,}356\ \mt{J}.

Respuestas

Trabajo

  1. W=-1{,}64\ \mt{J}
    1. W_\text{tracción}=\frac{L}{2YA}\left(F^2_f-F^2_i\right)
    2. W_\text{tracción}=22{,}7\ \mt{ft\cdot lb}
    1. W_\text{dilatación}=\sigma AL\alpha(T_f-T_i)
    2. W=2{,}23\ \mt{kJ}
  2. W_\text{compresión}=\frac{5}{8}KTAL_0
  3. W_{\ce{H_2O}}=0
    1. W_\text{gas ideal}=-379\times 10^3\ \mt{ft\cdot lb}
    2. W_\text{líquido}=-9{,}95\times 10^3\ \mt{ft\cdot lb}
    3. \Delta V_\text{gas ideal}=-39{,}5\ \mt{ft^3}
      \Delta V_\text{líquido}=-0{,}114\ \mt{ft^3}
    1. \bar w_{_\text{gas ideal}}=RT\ln\left(\frac{\bar v_f}{\bar v_i}\right)
    2. \bar w_{_\text{VdW}}=RT\ln\left(\frac{\bar v_f-b}{\bar v_i- b}\right)+\frac{a}{\bar v_f}-\frac{a}{\bar v_i}
  4. W_\text{adiabático}=-\frac{1}{\gamma-1}\left(p_fV_f-p_iV_i \right)
    1. W_\text{l}=6{,}61\ \mt{J}
    2. W_{\text{l}\rightarrow\text{g}}=429\ \mt{kJ}
    3. W_\text{total}=429\ \mt{kJ}
      El trabajo del agua líquida es completamente despreciable.
  5. Primera Ley de la Termodinámica

    1. \Delta U=524\ \mt{cal}=2{,}19\ \mt{kJ}
    2. No. La primera máquina recibe Q=75\,000\ \mt{BTU}=79{,}050\ \mt{MJ} y supuestamente realiza 25{,}0\ \mt{kWh}=90{,}0\ \mt{MJ} de trabajo. En cada ciclo de la máquina el cambio de energía debe ser cero (\Delta U=0). Esta máquina no puede existir.
      La segunda máquina cumple la primera ley de la termodinámica. Sí invertiría.
      1. \Delta E_{_\text{M}}=-26{,}49\ \mt{J}\approx -26\ \mt{J}.
        Se perdieron 26\ \mt{J}.
      2. Adiabático.
      3. \Delta U_\text{aire}=26\ \mt{J}, considerando que no se transfiere energía al ambiente.
      1. W_\text{barra}=24{,}8\ \mt{J}.
      2. \Delta U_\text{barra}=40{,}0\ \mt{J}
      1. W_{\ce{H_2O}}=6{,}6\ \mt{J}
        Proceso isobárico (p=1{,}0\ \mt{atm}).
      2. Q=778\ \mt{kJ}
      3. \Delta U_{\ce{H_2O}}=778\ \mt{kJ}.
        El trabajo de la expansión del agua es completamente despreciable.
    3. \Delta U_\text{gas}=-771{,}5\ \mt{J}\approx -0{,}77\ \mt{kJ}
    4. Q=90{,}98\times 10^3\ \mt{ft\cdot lb}=123{,}4\ \mt{kJ}
      1. \Delta U_g=4{,}00\ \mt{kJ}
        \Delta K=0{,}0\ \mt{J}
        W_{\ce{Hg}}=22{,}0\ \mt{J}
        \Delta U=18{,}90\ \mt{kJ}
      2. \Delta U_g=5{,}87\ \mt{J}
        \Delta K=0{,}0\ \mt{J}
        W_{\ce{He}}=415\ \mt{J}
        \Delta U=1\,037\ \mt{J}
      3. El trabajo de expansión del líquido es completamente despreciable.
        El cambio de energía potencial del gas es completamente despreciable.

Comentarios

Entradas populares

Termodinámica: Sistemas de unidades, volumen, densidad y presión

Con esta guía comenzamos el estudio de la termodinámica introduciendo el Sistema (de unidades) tradicional de los EEUU. abreviado como USCS (las denominadas «unidades inglesas»), revisando los conceptos de volumen y densidad, e introduciendo la presión. Deberás transformar entre distintos sistemas de unidades, resolver algunos problemas sencillos de mécanica en el USCS, calcular volumenes, densidades y presiones. El manómetro es el instrumento que se utiliza para medir la presión. En las imágenes se muestran varios manómetros graduados en varias de las muchas unidades de medida que existen para la presión, entre otras, la unidad SI «pascal» \mt{Pa}, la unidad USCS «pound(-force) per square inch» \mt{psi} (libra(-fuerza) por pulgada cuadrada, en inglés), la unidad CGS «bar» \mt{bar} y las unidades técnicas «kilogramo-fuerza por centímetro cuadrado» \mt{kgf/cm^2} y «Meter Wassersäule» \mt{m WS} (metro columna de agua en alemán). Créditos: leapingllamas...

Guía 01: Sistemas de unidades, propiedades de los fluidos y viscosidad

Esta es la primera guía de Mecánica de Fluidos. Aquí te presentamos algunos ejercicios de unidades de medidas del «Sistema Inglés» y del SI, algunos ejercicios sobre densidad y peso específico, y algunos problemas de viscosidad. La miel es un fluido con alta viscosidad, de ahí su dificultad para fluir. Creditos: Coralpceb bajo licencia CC BY-NC-SA 2.0 . Índice Sistemas de unidades Propiedades de los fluidos Viscosidad Constantes, datos y factores de conversión Respuestas Sistemas de unidades Exprese las cantidades en las unidades que se indican. 14{,}34\,\mt{ft^2} en \mt{in^2}, \mt{mi^2} y \mt{m^2}. 28{,}0\,\mt{oz} en \mt{lb_m}, \mt{slug} y \mt{g}. 22{,}49\,\mt{lb_f} en \mt{N} y \mt{dyn}. 1{,}000\,\mt{atm} en \mt{Pa}, \mt{bar}, \mt{psi} y \mt{psf}. 1{,}29\,\mt{kg/m^3} en \mt{lb_m/ft^3} y \mt{slug/ft^3}. 1\,475{,}2\,\mt{ft\cdot lb_f/s} en \mt{W} y \mt{erg/s}. Transfo...

Termodinámica: Temperatura

A continuación revisaremos algunos problemas relacionados con la temperatura. Deberás transformar la tempereatura entre distintas escalas termométricas, y resolver algunos problemas sencillos que involucran la dilatación térmica de líquidos y solidos. El termómetro es el instrumento que se utiliza para medir la temperatura, la propiedad termodinámica por excelencia. En la imagen, un termómetro de cocina calibrado en dos de las escalas termométricas más populares, la escala Celsius (^\circ\mt C) y la escala Fahrenheit (^\circ\mt F). Créditos: Steven Jackson bajo licencia CC BY 2.0 Índice Escalas de temperatura Dilatación térmica Constantes, datos y factores de conversión Respuestas Escalas de temperatura ¿A qué temperatura dan la misma lectura las escalas Fahrenheit y Celsius? ¿A qué temperatura las escalas Fahrenheit y Kelvin? La temperatura de la superficie del Sol es aproximadamente 6\,000\,\mt K. Exprese esta temperatura en la escala...