PROBLEMAS DE SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA PROBLEMA N° O1 Análisis de una máquina térmica Un motor de gasolina de un camión toma 10,000 J de calor y produce 2000 J de trabajo mecánico por ciclo. El calor se obtiene quemando gasolina, cuyo calor de combustión es Lc = 5.0 x 104 J /g. a) Calcule la eficiencia térmica del motor. b) ¿Cuánto calor se desecha en cada ciclo? c) ¿Cuánta gasolina se quema en cada ciclo? d) Si el motor ejecuta 25 ciclos por segundo, ¿qué potencia desarrolla en watts y en hp? e) ¿Cuánta gasolina se quema por segundo? ¿Y por hora? SOLUCIÓN:

PROBLEMA N° 02 Análisis de una máquina de Carnot I Una máquina de Carnot toma 2000 J de calor de una fuente a 500 K, realiza trabajo, y desecha calor a una fuente a 350 K. ¿Cuánto trabajo efectúa, cuánto calor expulsa y qué eficiencia tiene? SOLUCIÓN:

PROBLEMA N° 03 Análisis de una máquina de Carnot II Suponga que 0.200 moles de un gas diatómico con comportamiento ideal (γ=1.40) efectúa un ciclo de Carnot con temperaturas de 227 °C y 27 °C. La presión inicial es pa = 10.0 x 105 Pa y, durante la expansión isotérmica a la temperatura superior, se duplica el volumen. a) Calcule la presión y el volumen en los puntos a, b, c y d del diagrama pV de la figura 20.13. b) Calcule Q, W y DU para cada paso y para todo el ciclo. c) Determine la eficiencia directamente a partir de los resultados del inciso b) y compárela con el resultado de la ecuación (20.14). SOLUCIÓN:

PROBLEMA N° 04 Análisis de un refrigerador de Carnot Si el ciclo descrito en el ejemplo 20.3 se efectúa hacia atrás como refrigerador, ¿qué coeficiente de rendimiento tiene? SOLUCIÓN:

PROBLEMA N° 05 Cambio de entropía durante la fusión Un kilogramo de hielo a 0 °C se derrite y convierte en agua a 0 °C. Calcule el cambio de entropía, suponiendo que la fusión es reversible. El calor de fusión del agua es Lf = 3.34 x 105 J /kg. SOLUCIÓN:

PROBLEMA N° 06 Cambio de entropía en un cambio de temperatura Un kilogramo de agua a 0 °C se calienta a 100 °C. Calcule su cambio de entropía SOLUCIÓN:

PROBLEMA N° 07 Proceso adiabático reversible Un gas se expande de forma adiabática y reversible. Calcule el cambio de entropía. SOLUCIÓN:

PROBLEMA N° 08 Cambio de entropía en una expansión libre Una caja térmicamente aislada está dividida en dos compartimientos, cada uno con volumen V, por una membrana (figura 20.19). Inicialmente, un compartimiento contiene n moles de gas ideal a temperatura T, y el otro está vacío. Se rompe la membrana y el gas se expande hasta llenar los dos compartimientos. Calcule el cambio de entropía en este proceso de expansión libre. SOLUCIÓN:

PROBLEMA N° 09 Entropía y el ciclo de Carnot Para la máquina de Carnot del ejemplo 20.2 (sección 20.6), calcule el cambio de entropía total en la máquina durante un ciclo. SOLUCIÓN:

PROBLEMA N° 10 Proceso irreversible Suponga que 1.00 kg de agua a 100 °C se coloca en contacto térmico con 1.00 kg de agua a 0 °C. Calcule el cambio total de entropía. Considere que el calor específico del agua 4190 J/kg.K es constante en este intervalo de temperaturas. SOLUCIÓN:

PROBLEMA N° 11 Cálculo microscópico de cambio de entropía A partir de la ecuación (20.23), calcule el cambio de entropía en la expansión libre de n moles del gas a temperatura T que se describió en el ejemplo 20.8 (figura 20.23). SOLUCIÓN: