Preguntas P (Preguntas para Análisis )Capitulo 19 Sear Zemansky Primera Ley de la Termodinámica PDF

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Respuesta de las preguntas para análisis del Libro Sear Zemansky volumen 1...

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CAPÍTULO 19 LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PREGUNTAS 19.1 en los siguientes procesos el trabajo efectuado es positivo o negativo? a) la expansión de una mezcla aire-gasolina quemada en el cilindro de un motor automotriz b) abrir una botella de champaña c) llenar un tranque de buceo con aire comprimido d) la abolladura parcial de una botella de agua vacía y cerrada, al conducir descendiendo desde las montañas hacia el nivel del mar. a) Positivo b) Negativo c) Positivo d) Positivo 19.2 No es cierto decir que un cuerpo contiene cierta cantidad de calor, no obstante, un cuerpo puede transferir calor a otro. Entonces, ¿Cómo un cuerpo cede algo que no tiene? La primera ley de la termodinámica, es el "Principio de la Conservación de la Energía"; y establece que, si se realiza trabajo sobre un sistema, la energía interna del sistema varia. La diferencia entre la energía interna del sistema y la cantidad de energía es denominada calor. Por lo tanto, si aplicas "trabajo" al cuerpo, su energía interna (calor), varía también. Un cuerpo intercambia energía a su entorno mediante el trabajo mecánico. 19.3 En que situaciones debe usted efectuar mas trabajo: al inflar un globo al nivel del mar o al inflar el mismo globo con el mismo volumen en la cima del monte McKinley . explique su respuesta en términos de presión y cambio de volumen.. Se efectúa mayor trabajo a nivel del mar ya que existe mayor presión que en el monte y además el volumen aumenta conforme aumenta el nivel del mar, ya que por la ecuación Pv=nRT. 19.4. Si le dan los estados inicial y final de un sistema y el cambio correspondiente de energía interna, ¿podría determinar si dicho cambio se debió a trabajo o transferencia de calor? Explique su respuesta. No se puede saber si dicho cambio se debió al trabajo o a su energía interna ya que no se sabe si es un proceso adiabático, isocórico, isobárico o isotérmico. 19.5. Comente la aplicación de la primera ley de la termodinámica a una alpinista que ingiere alimentos, se calienta y suda mucho durante el ascenso, y efectúa mucho trabajo mecánico para subir su cuerpo a la cima. La alpinista También se acalora durante el descenso. ¿La fuente de esta energía es la misma que durante el ascenso? La alpinista genera energía por la reacción química que se produce en su interior (metabolismo) al ingerir los alimentos. Esa energía es gastada por el alpinista en trabajo para subir la cuesta, también es gastada para equilibrar la temperatura del cuerpo y una vez equilibrada el excesos se libera por la transpiración, debido a estos cambios, podemos decir que este es un claro ejemplo de proceso termodinámico. En el descenso la fuente de energía también son los alimentos consumidos, y esta energía es utilizada del mismo modo, pero en menor consumo en el descenso. 19.6 cuando se derrite hielo a 0°C, su volumen disminuye ¿el cambio de energía interna es mayor, menor o igual que el calor agregado? ¿Cómo lo sabe? En este caso W es negativo, el suministro de calor es menor que en el caso a volumen constante, y CP es menor que CV. Si el huelo se derrite es como si se lo comprimiera porque se reduce su volumen.

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19.7 Usted sostiene un globo inflado sobre un ducto de aire caliente de su casa y observa que se expande lentamente. Después usted lo aleja del ducto y lo deja enfriar a la temperatura ambiente. Durante la expansión, ¿Cuál era mayor, el calor agregado al globo o el trabajo efectuado por el aire dentro de este? Explique su respuesta (suponga que el aire es un gas ideal). Una vez que la temperatura regresa a la temperatura ambiente, ¿cómo el valor neto ganado o perdido por el aire dentro del globo se compara con el trabajo neto efectuado sobre el aire circundante o con el trabajo realizado por éste? Al aumentar la T° aumenta el volumen y al mismo tiempo aumenta la T° por lo que la energía aumenta. Como ΔU es positivo q debe ser mayor que el trabajo para generar la relación dada por la ecuación de la primera Ley Si se enfría ΔU es negativo y ya que se sede calor (-q) “q es negativo” y como el globo se contrae el trabajo también es negativo “-w” Si fue y volvió por el mismo camino el trabajo es el mismo. Por el hecho de que si Q es positivo es porque entra calor al sistema y al regresar a temperatura ambiente el Q se hace negativo. 19.8) Usted hornea galletas con chispas de chocolate y las coloca aun calientes dentro de un recipiente con una tapa suelta (sin cerrar herméticamente). Qué tipo de proceso sufre el aire dentro del recipiente, conforme gradualmente las galletas se enfrían a temperatura ambiente (isotérmico, isocórico, adiabático, isobárico, o una combinación de procesos). Explique su respuesta. En el proceso la presión es constante debido que es abierto a la atmosfera, el volumen del recipiente es constante, y volumen del aire en el interior también es “constante” pero esto se debe a que hay un intercambio permanente de moles de aire con el interior y el exterior. En este caso cambia el número de moles del aire que está dentro solo si PV es constante. Transformación a presión constante no varía V ya que varía n (FORMULAS) 19.9 Imagine un gas constituido exclusivamente por electrones con carga negativa. Las cargas iguales se repelen, así que los electrones ejercen fuerzas de repulsión entre sí. ¿Cabría esperar que la temperatura de semejante gas aumentara, disminuyera o se mantuviera igual durante una expansión libre? ¿Por qué? Los electrones al expandirse entregan trabajo al medio, entregan trabajo positivo y como es una expansión adiabática no hay transferencia de calor por lo tanto el trabajo positivo por el signo se vuelve negativo y queda que la diferencia de energía es negativa por lo tanto disminuye la temperatura, 19.10. Hay unos cuantos materiales que se contraen cuando aumenta la temperatura, como el agua entre 0°C y 4°C. ¿Cabría esperar que Cp para tales materiales fuera mayor o menor que Cv ¿por qué? El volumen disminuye durante el calentamiento. En este caso, W es negativo, el suministro de calor es menor que en el caso a volumen constante, y Cp es menor que Cv. 19.11 Si soplamos sobre el dorso de nuestra mano con la boca bien abierta, el aliento se siente tibio. En cambio, si cerramos parcialmente la boca como para pronunciar una “o” y soplamos sobre la mano, el aliento se siente fresco. ¿Por qué? Como el aire proviene del interior de nuestros pulmones, se encuentra aproximadamente a la temperatura corporal y al dejarlo salir sin inconvenientes por la boca abierta, es aire caliente. Con solo modificar la abertura bucal le imprime más velocidad, sin que hagamos ningún esfuerzo. Cuando soplamos mantenemos la boca casi cerrada, de forma que el aire se ve obligado a salir por una abertura mucho más estrecha. Y cuando un fluido con caudal constante pasa de un conducto de mayor sección a otro de menor, necesariamente su velocidad aumenta, según el efecto Venturi, la presión va a disminuir

forzosamente, según el teorema de conservación de la energía o principio de Bernoulli. Al momento de disminuir la presión la temperatura también disminuye Al encontrarse fuera de la boca y a presión más reducida, el aire se expande. Si un gas se expande libremente, su temperatura disminuye, pues la distancia entre sus moléculas es mayor y su energía se diluye en un mayor volumen. Por tanto, el aire del soplido tiene una temperatura inferior a la del aliento. También se puede considerar como una expansión adiabática donde la temperatura disminuye 19.12. En los globos de aire caliente, el aire envuelto en el globo es calentado a través de un agujero en la parte más baja por un quemador de propano. El aire caliente dentro de la envoltura permanece a presión atmosférica por el agujero en la parte inferior, y el volumen de la envoltura es constante. Por lo tanto, cuando el piloto arranca el quemador, para calentar el aire, el volumen de la envoltura, y la presión dentro, son constantes pero la presión incrementa. La ley del gas ideal parece prohibir esto. Que es lo q pasa entonces? Debido a que hay un agujero en la parte inferior del globo, el gas puede impulsarse, al hacer esto empieza a elevarse y el gas realiza un trabajo, por lo que la energía interna del gas podría mantenerse constante, pues el calor se convierte en trabajo. 19.14 Cuando se usa una bomba manual para inflar los neumáticos de una bicicleta, la bomba se calienta después de un rato. ¿Por qué? ¿Qué sucede con la temperatura del aire en la bomba al comprimirse? ¿Por qué sucede así? Cuando se levanta el mango de la bomba para succionar aire exterior hacia el interior de ésta? ¿qué sucede con la temperatura del aire admitido? De nuevo, ¿por qué sucede eso? Después de un rato la bomba se calienta porque el gas realiza un trabajo sobre la esta, es decir, el signo de W es negativo, lo cual hace que se incrementa la energía interna de la misma y absorba cierta cantidad de calor. Cuando se comprime se aumenta la temperatura y como es un proceso relativamente rápido se puede considerar adiabático. Al levantar el mango de la bomba el gas se expande y realiza un trabajo positivo, por lo cual su energía interna disminuye y su temperatura baja. En cambio, al comprimir; la situación se invierte y la temperatura del aire en la bomba aumenta 19.15 En el carburador de un motor para automóvil o avión, el aire fluye por una abertura relativamente pequeña y luego se expande. Si el tiempo es fresco y con niebla, llega a formarse hielo en su abertura, aun cuando la temperatura del aire exterior este arriba del punto de congelación. ¿Por qué? Se genera hielo sobre la abertura debido a que se genera una expansión generada por una presión menor dentro del dispositivo por la succión del pistón, esta expansión produce un enfriamiento del aire. En una expansión se genera trabajo positivo por lo que con el signo de la formula queda negativo generando una menor diferencial de energía 19.16 En un día soleado, se forman grandes “burbujas” de aire sobre la tierra q calienta el sol, se expande gradualmente y, por último, se libera para salir por la atmosfera. Las aves y los planeadores aprovechan estas “corrientes térmicas” para ganar altitud con facilidad. Esta expansión es en esencia un proceso adiabático ¿por qué? Si es un proceso adiabático puesto que no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa. El calentamiento y enfriamiento adiabático son procesos que comúnmente ocurren debido al cambio en la presión de un gas.

Es adiabático por la rapidez en la que ocurre y además no hay transferencia de calor con el medio por que el ΔT entre la burbuja y el medio es muy chica (poco intercambio de calor) y además se debe tener en cuenta que la capa de aire se transforma en un aislante P19.17. Los vientos prevalecientes en la isla hawaiana de Kauai soplan del noreste. Los vientos se enfrían al subir por las faldas del monte Waialeale (altura 1523 m), haciendo que se condense vapor de agua y que llueva. Hay mucha más precipitación en la cima que en la base de la montaña. De hecho, el monte Waialeale es el lugar más lluvioso del planeta, con una precipitación media de 11.7 m al año. ¿Qué hace que los vientos se enfríen? Cuando el trabajo se realiza sobre el sistema se pierde calor, y disminuye la temperatura haciendo así que llueva. El viento que llega a la costa, llega con gran humedad y una presión elevada, al momento de subir el monte la presión disminuye generando que el aire se enfrié y se condense toda la humedad y llueva. Debido a la relación de PV=nRT 19.18).Aplicando las mismas consideraciones que en la pregunta 19.17, explique por qué la isla niihau, unos cuantos km al sur oeste de Kauai, es casi un desierto y los campos agrícolas de esta isla necesitan riego. Las dimensiones del monte no posibilitan la circulación de la corriente de viento a esta isla, convirtiendo se el monte en un verdadero escudo, lo que minoriza las precipitaciones en la isla. Al momento de que el viento baja del monte, baja sin humedad y además aumenta la presión por lo que aumenta la temperatura por consiguiente se genera un aire seco y caliente 19.19. En un proceso a volumen constante, dU = nCVdT. Pero en un proceso a presión constante no es cierto que dU = nCPdT. ¿por qué no? Formulas 19.20 Cuando un gas se comprime adiabáticamente contra el aire circundante su temperatura aumenta aunque no fluya calor hacia el gas. De donde proviene la energía que eleva la temperatura? Al momento de comprimirse un gas el mismo genera un trabajo negativo que al momento de ponerlo en la ecuación se vuelve positivo con lo que genera que la Diferencia de energía aumente y genere un aumenta la temperatura 19.21 Cuando un gas se expande adiabáticamente, que funciona en su entorno. Pero si no hay entrada de calor al gas, ¿de dónde proviene la energía para hacer el trabajo? Cuando un sistema está térmicamente aislado, rodeado de paredes adiabáticas, no existe intercambio de calor con el medio, sin embargo existen formas de realizar trabajo sobre el sistema o por el sistema. Para un sistema que se halla adiabáticamente aislado, el trabajo que se necesita para variar el sistema desde un estado 1 a un sistema final 2, resulta ser independiente de la forma que se realiza trabajo, sólo depende de los estados inicial y final. Ya que el trabajo adiabático depende sólo de los estado inicial y final del sistema, se define una función de las coordenadas termodinámica U, llamada energía interna, de modo que: W12 (adiabático) = - (U2 - U1) corresponde al trabajo realizado por el sistema para llevarlo del estado 1 al estado 2. 19.22) El gas que se utiliza para separar los dos isótopos de uranio 235U Y 238U tiene la fórmula UF6. Si se agrega calor a tasas iguales a un mol de UF6. Si se agrega calor a tasas iguales a un mol de UF6 gaseoso y a un mol de H2 gaseoso, ¿Cuál temperatura esperaría usted que se elevara más rápido? Explique su respuesta.

El gas UF6 es un compuesto poli atómico mientras que el H2 es uno diatónico de manera que la capacidad calorífica molar para el UF6 será mayor pudiendo absorber mayor energía sin un mayor incremento de temperatura, por lo tanto el que se elevaría más rápido en su temperatura entre los dos sería el H2...