CAPÍTULO 19 LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PREGUNTAS19.1 en los siguientes pro cesos el trabajo efectuado es po sitivo 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? Un cuerpo intercambia energía a su entorno mediante el trabajo mecánico. Este trabajo efectuado no depende únicamente de las posiciones inicial y final respectivamente, también depende de la trayectoria; cuando un sistema a cierta presión cambia su volumen efectúa una cantidad de trabajo. Es negativo si el trabajo se efectúa sobre el si stema. 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. 19.4. Si le dan los estados inicial y final de un sistema y el cambio correspondien te de energía interna, ¿podría determinar si dicho cambio se debió a trabajo o t ransferencia de calor? Explique su respuesta. Si se puede saber ya que en los estados inicial y final se puede deducir si es un proceso adiabático, isocórico, isobárico o isotérmico ya que cada uno depende del calor o del trabajo. 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 m isma que durante el ascenso? La alpinista genera calor por la reacción química que se produce en su interior (metabolismo) al ingerir los alimentos, el calor es una forma de energía , dicha energía es necesari a para producir el trabajo mecánico para subir el cuerpo a la cima, también existe cambio de temperatura en el
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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?
Un cuerpo intercambia energía a su entorno mediante el trabajo mecánico. Este trabajo efectuado
no depende únicamente de las posiciones inicial y final respectivamente, también depende de la
trayectoria; cuando un sistema a cierta presión cambia su volumen efectúa una cantidad de
trabajo. Es negativo si el trabajo se efectúa sobre el sistema.
19.3 en que situaciones debe usted efectuar mas trabajo: al inflar un globo al nivel del mar o alinflar 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 ademásel volumen aumenta conforme aumenta el nivel del mar.
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.
Si se puede saber ya que en los estados inicial y final se puede deducir si es un proceso adiabático,
isocórico, isobárico o isotérmico ya que cada uno depende del calor o del trabajo.
19.5. Comente la aplicación de la primera ley de la termodinámica a una alpinista que ingierealimentos, 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 calor por la reacción química que se produce en su interior (metabolismo) al
ingerir los alimentos, el calor es una forma de energía, dicha energía es necesaria para producir el
trabajo mecánico para subir el cuerpo a la cima, también existe cambio de temperatura en el
cuerpo de la alpinista, 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, pero para realizar este trabajo mecánico la energía necesaria es menor.
19.6 cuando se derrite hielo a 0°C, su volumen disminuye ¿el cambio de energía interna esmayor, 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, yCP es menor que CV
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 ves que la temperatura regresa a la temperatura ambiente, ¿ como el valor neto ganado operdido por el aire dentro del globo se compara con el trabajo neto efectuado sobre el aire
circundante o con el trabajo realizado por éste?.
Durante la expansión el calor es el mayor ya que hay un aumento de temperatura que hace que se
expanda y también porque el calor es positivo cuando entra al sistema.
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 airedentro del recipiente, conforme gradualmente las galletas se enfrían a temperatura ambiente
(isotérmico, isocórico, adiabático, isobárico, o una combinación de procesos). Explique su
respuesta.
El proceso no es isotérmico ya que el aire del interior del recipiente tiene interacción con el
exterior; no es adiabático ya que si hay transferencia de calor, así es que el proceso podría ser una
combinación de isocórico con adiabático.
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. ¿Cabria esperar
que la temperatura de semejante gas aumentara, disminuyera o se mantuviera igual durante
una expansión libre? ¿Por qué?
La temperatura aumentara porque al repelerse los electrones entre si aumenta la vibración de los
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 latemperatura corporal y al dejarlo salir sin inconvenientes por la boca abierta, es aire caliente. Consolo 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 poruna 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 efectoVenturi. Y si la energía cinética, que viene determinada por la velocidad, aumenta, la energíadeterminada por el valor de la presión ha de disminuir forzosamente, según el teorema deconservación de la energía o principio de Bernoulli.
Al encontrarse fuera de la boca y a presión más reducida, el aire se expande. El efecto Joule-Thomson nos dice que si un gas se expande libremente, su temperatura disminuye, pues ladistancia entre sus moléculas es mayor y su energía se diluye en un mayor volumen. Por tanto, elaire del soplido tiene una temperatura inferior a la del aliento.
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 laenvoltura 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 alcomprimirse? ¿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,
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.
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 que?
Porque el aire solo fluye en el interior del agujero por lo tanto la temperatura exterior no produce
ningún efecto sobre el agujero por esto se forma hielo en esa abertura.
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 variarla temperatura del aire y su humedad relativa. El calentamiento y enfriamiento adiabático sonprocesos que comúnmente ocurren debido al cambio en la presión de un gas.
19.17
Cuando el trabajo se realiza sobre el sistema se pierde calor, y disminuye la temperatura haciendo
asi que llueva.
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.
De acuerdo a las condiciones de Kauai descritas en la pregunta 19.17 el viento en esta isla sopla
desde el noreste pero en esta isla se encuentra el monte waialeale de 1523 m de altura, y la isla
Niihau se localiza al sureste de Kauai por lo que 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.
19.19. En un proceso a volumen constante, dU = nC V dT . Pero en un proceso a presiónconstante no es cierto que dU = nC P dT . ¿por qué no?
No se cumple porque si se produce un cambio en el volumen (en los procesos a presión constante)
el trabajo es diferente de cero, lo cual hace imposible convertir la ecuación de: dQ = dU + dW ; a
la forma deseada, ya que no se anula el trabajo.
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 latemperatura?
De la energía cinética provocada por los choques entre los gases.
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 existeintercambio de calor con el medio, sin embargo existen formas de realizar trabajo sobre elsistema o por el sistema.Para un sistema que se halla adiabáticamente aislado, el trabajo que se necesita para variarel sistema desde un estado 1 a un sistema final 2, resulta ser independiente de la forma quese 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 defineuna 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 poliatómico mientras que el H2 es uno diatómico 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
La dirección de fluidez del calor es desde adentro hacia afuera del sistema, para que el sistema se
enfríe debe perder calor.
c) En esta ocasión no importa qué tipo de gas es, porque el calor esta en función de la energía
interna y el trabajo realizado por el gas, como conjunto y no por cada una de sus partículas.
19.13 una dona representativa contiene 2.0 gr de proteínas, 17.0 gr de carbohidratos y 7.0 gr de
grasas. Los valores medios de energía alimentaria de esas sustancias son de 4.0 kcal/g para las
proteínas y los carbohidratos y de 9.0 kcal/g para las grasa. A) Al hacer ejercicio intenso, una
persona representativa consume energía a una tasa de 510 kcal/h. ¿Cuánto tiempo hay que
hacer ejercicio para quemar una dona? B) Si fuera posible convertir la energía de una dona en
energía cinética del cuerpo entero, ¿Con que rapidez se podría mover una persona después decomer una dona? Suponga que la masa del hombre es de 60 kg y exprese su respuesta en m/s y
19.14 Un líquido se agita irregularmente en un recipiente bien aislado, con lo que aumenta sutemperatura. Considere el líquido como el sistema. a) ¿Se ha transferido calor? ¿Cómo lo sabe?
B) ¿Se ha efectuado trabajo? ¿Cómo lo sabe? ¿Por qué es importante que la agitación sea
irregular? C) ¿Qué signo tiene ∆U? ¿Cómo lo sabe?
Al agitar el líquido se le agrega cierta cantidad de calor y como el sistema no realiza trabajo en el
proceso la energía interna aumenta, es decir, ∆U=Q, y como el entorno está realizando un trabajo
sobre el líquido, W tiene signo negativo, por lo tanto ∆U tiene signo positivo.
19.15 Un gas ideal se lleva de a a b en la grafica pV que se muestra en la figura 19.22. Durante
este proceso, e agregan 400 j de calor y se duplica la presión.
a) ¿Cuánto trabajo realiza el gas ideal o se efectúa sobre este ?Explique su respuesta. b) Como la
temperatura del gas el a se compara con la temperatura del gas en b? Especifique. c) Como la
energía interna del gas en a se compara con la energía interna del gas en b ¿De nuevo
especifique y explique su respuesta.
a) Es igual a cero porque el volumen permanece constante por lo tanto el sistema no efectúatrabajo.
b) Si Ub > Ua ¿por cuál trayectoria es mayor el valor absoluto ||de la transferencia de calor ¿
en esta trayectoria ¿el sistema absorbe o desprende calor?
W > 0 en todos los tres casosQ =ΔU +W, para Q> 0 para todos los tresQ es el más grande a lo largo de camino 1. Cuando Q> 0, el calor está absorto.
19.18.
Deduzca la información sobre Q y W de la declaración del problema y entonces aplique primero la
ley ΔU = Q −W , para inferiores si Q es positivo o negativo. Para el agua? T> 0, para que por Q = el
mc? el calor de T se ha agregado al agua. Así la energía de calor viene de la mezcla del
combustible-oxígeno ardiente, y Q para el sistema (el combustible y oxígeno) es negativo.
(b) el volumen Constante implica W = 0.
(c) La 1 ley (Eq.19.4) dice ΔU = Q –W ;Q <0, W = 0 para que por la 1 ley? U <0. La energía interior
de la mezcla del combustible-oxígeno disminuyó.
En este proceso se transfirió energía interior de la mezcla del combustible-oxígeno al agua,
mientras se esta elevando su temperatura.
19.19. Calentando agua a presión alta. Cuando el agua es calentada a una presión de 2 atm, elcalor de vaporización es 2.2 x 106 J/Kg y la temperatura a la que hierve es de 120ºC. A estapresión, 1 kg de agua tiene un volumen de 1 x 10-3 m3 y 1 kg de vapor tiene un volumen de 0.824m3. (a) Calcula el trabajo hecho cuando 1 kg de vapor es formado a esta temperatura. (b) Calcula
el incremento en energía interna del agua.Sabemos que:
19.20. Durante una compresión isotérmica de un gas ideal es preciso extraer 335J del calor al gas
para mantener la temperatura constante. Cuanto trabajo efectúa el gas durante el proceso?
a) J.1067.1)m1000.1mPa)(0.82410026.2( 53335 V p
J.10032J1067.1)kgJ10kg)(2.2000.1(
b)
656
v
.
W mLW QU
19.21. Un cilindro contiene 0.250 mol de dióxido de carbono (C0 2) el gas a una temperatura de
27.0 ° C. El cilindro está provisto de un pistón frictiouless, que mantiene una presión constantede 1,00 atm en el gas. El gas se calienta hasta que su temperatura aumenta a I27.0 ° C. Supongaque el CO 2 puede ser tratada como un gas ideal. (A) Dibuje un diagrama pV para este proceso.(B) ¿Cómo wolk se hace mucho por el gas en este proceso? (C) En lo que es este trabajo? (D)¿Quées el cambio de energía interna del gas? (E) ¿Cuánto calor se suministra al gas? (F) ¿Cuántotrabajo se hubiera hecho si la presión ha sido 0,50 atm? T
(f) La presión más baja que significaría un volumen proporcionalmente mayor, y el resultado netosería que el trabajo realizado sería el mismo que el que se encuentran en la parte (b).
19.22) Un cilindro contiene 0,0100 moles de helio a T=27⁰C
a) ¿Cuanto calor se requiere para elevar la temperatura a 67⁰C manteniendo constante el
volumen?
Q=nCv∆T
Q= (0,01)(12,47)(67-47)
Q=4,988 J
b) Si, en vez del volumen, se mantiene constante la presión del helio, ¿Cuánto calor se
requiere para elevar la temperatura de 27⁰C a 67⁰C? Dibuje una gráfica pV para este proceso.
Q=nCp∆T
Q= (0,01)(20,78)(67-47)
Q=8,312 J
c) ¿Qué explica la diferencia entre las respuestas a los incisos a) y b)? ¿En qué caso se
requiere más calor? ¿Cuánto cambia la energía interna en el inciso a? ¿y en el inciso b)? Compare
http://slidepdf.com/reader/full/respuestas-capitulo-1-fisica-termodinamica-tipler 32/49Se requiere casi el doble de calor para elevar la temperatura cuando se trata de un proceso
600J de la energía térmica fluye hacia el gas. 240 J como trabajo
360 J permanece en el gas como un aumento en la energía interna
19.27 Un cilindro con un pistón móvil contiene 3.00 moles de N2 gaseoso ( que se comporta
como un gas ideal) a) El N2 se calienta a volumen constante hasta que se agregan 1557 j de
calor. Calcule el cambio de temperatura b) supongamos que la misma cantidad de calor se
agrega al N2, pero en este tiempo se permite al gas expandirse mientras se mantiene a presión
constante. Determiné el cambio de temperatura c) en cual caso a) b), la energía interna final deN2 es mayor? ¿Cómo lo sabe? ¿ que explica la diferencia entre ambos casos?
Para un proceso de volumen constante. Q=nCv∆T ,Para un proceso de presión constante. Q = nC∆T
19.29) La temperatura de 0.150 moles de gas ideal se mantiene constante en 77°C mientras suvolumen se reduce al 25% de su volumen inicial. La presión inicial del gas es de 1.25atm. a)Determine el trabajo efectuado por el gas. b) Determine el cambio de energía interna. c) El gasintercambia calor con su entorno, si lo hace cuanto es? El gas absorbe o desprende calor?
a)
b)
c)
Q es negativo ya que libera calor.
19.30. Propane gas (C 3 H,) behaves like an ideal gas with 'Y = 1.127. Determine the molar heat
capacity at constant volume and the molar heat capacity at constant pressure.
19.35. Dos moles de monóxido de carbono (CO) están a una presión de 1,2 atm y ocupa unvolumen de 30 litros. Después el gas se comprime adiabáticamente a 1/3 de ese volumen.
Suponga que el gas tiene comportamiento ideal. ¿Cuánto cambia su energía interna?¿La energía
interna aumenta o disminuye?¿La temperatura del gas aumenta o disminuye durante el
proceso? Explique su respuesta.
Datos:P1=1,22 PaV1=0,03 m3 V2=0,01 m3 γ =1.40 Gas diatómico
La energía interna aumenta porque trabajo es realizado sobre el gas U>0 Y Q=0
La temperatura aumenta porque la energía interna aumentó durante el proceso.