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SOLUCIONARIO DE TRABAJOS Y EXAMENES AL +51 970302148

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE CHOTA
Escuela Profesional de Ingeniería Civil
FÍSICA II
Mg. Elmer Walmer Vásquez Bustamante
TALLER DE AUTOAPRENDIZAJE
TERMODINÁMICA
APELLIDOS Y NOMBRES: ……………………………………………………………………………………………………………………………..
Fecha de entrega: jueves 20 de abril de 2023
1. ¿Cuál es la temperatura normal del cuerpo humano expresada en grados Fahrenheit?
2. En un termómetro de gas a volumen constante se llenó el depósito de gas con aire y se encontró
que a la temperatura del punto triple del agua la presión es de 9,44.104
Pa. ¿Cuál es la
temperatura de un cuerpo si en contacto con él la presión del aire del termómetro es 1,07.105
Pa?
3. ¿Cuál es la variación relativa de volumen que experimenta 1 litro de aire a 15 °C cuando su
temperatura cambia a 25 °C a presión normal?
4. Un cilindro tiene un émbolo movible conectado a un resorte con una constante de 2000 N/m. El
cilindro se llena con 5 litros de gas con el resorte en su posición normal a una presión de 1
atmósfera y a una temperatura de 20°C. Si el émbolo tiene una sección de 0,01 m2
y de masa
despreciable. a) ¿Cuánto subirá el émbolo cuando la temperatura aumenta a 250 °C.? b) ¿Cuál
es la presión del gas a 250 °C?
5. Una tubería de hierro galvanizado tiene una longitud de 100 m a la temperatura de 0 °C. ¿Cuál
es el aumento de longitud al momento de conducir vapor a 120 °C? El coeficiente de dilatación
lineal del hierro galvanizado es 0,0000105 (1/°C).
6. Una cuerda de acero de 1 mm de diámetro se tensa entre dos soportes separados 80 cm a la
temperatura de 0 °C. Si la frecuencia fundamental de las oscilaciones transversales es 200 Hz.
¿Cuál es la tensión en la cuerda? Si la temperatura aumenta a 30 °C encuentre la tensión y la
frecuencia fundamental.
7. En el equipo de la figura mostrada cada masa suspendida es de 2 Kg y descienden una distancia
de 1 m. Si el recipiente contiene 200 g de agua. ¿Cuál es la elevación de temperatura que el
agua experimenta?
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8. En un calorímetro que contiene 200 g de agua a 20 °C se introduce 300 g de agua a 80°C,
alcanzando el equilibrio térmico a una temperatura de 40°C. ¿Cuál es el equivalente en agua del
calorímetro? Determine ahora el calor específico de un dado de "plomo" de 100 g, llenando en
el calorímetro, primero 250 g de agua a 20°C y luego el dado calentado hasta 100°C si la
temperatura de equilibrio es de 21,2°C. ¿Es el dado de plomo?
9. Veamos las transformaciones que experimenta 1 g de hielo a –20 °C hasta convertirse en vapor
a 120 °C. En la Figura mostrada, se representa en el eje de abscisas la cantidad de calor y en el
eje de ordenadas la temperatura. La cantidad de calor que permite elevar la temperatura se
denomina calor sensible y la cantidad de calor que sirve para lograr el cambio de fase se llama
calor de transformación. Analice cada tramo de calor y determine la cantidad total de calor
suministrada.
10. El aire en contacto con la superficie del agua de un lago se encuentra a una temperatura T2 =
–20 °C. Si la densidad del hielo es 𝜌ℎ = 920 kg/m3
y sus propiedades térmicas son calor
específico 𝑐𝑒 = 2093 J/kg.K, calor latente de fusión L = 335 kJ/kg, conductividad térmica k =
2,22 J/m.s.K Determinar la rapidez con la que crece el espesor de la capa de hielo.
11. Si la intensidad detectada en la alta atmósfera terrestre es 1353 W/m2
. Determine la
temperatura en la superficie del Sol, suponiendo que el poder emisivo es 1. (distancia Tierra-
Sol: r = 1,49.1011
m, radio del Sol R = 6,96.108
m).
12. En el interior de una habitación la temperatura es 25°C y la temperatura del medio exterior es de -15°C
Si la pared que los separa de 4 mm de espesor es una plancha de vidrio de la ventana. ¿Cuál es la
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temperatura en cada superficie del vidrio? Para el vidrio es k = 0,837 (J/s.m.K) y para una placa
vertical del mismo material el coeficiente de convección es h = 1,775(∆T)1/4
J/s.m².K
13. En un proceso termodinámico la relación entre presión y volumen de un gas está dada por p =
19V–1,4
donde el volumen V está dado en litros y p en atmósferas. ¿Cuál es el trabajo realizado
por el gas al expandirse un volumen de 5 litros hasta 20 litros?
14. Sobre un gas confinado en un cilindro provisto de un pistón se realiza un trabajo de compresión
equivalente a 150 J y simultáneamente se calienta el gas con 10 cal de energía calorífica. ¿Cuál
es el cambio que experimenta su energía interna?
15. En el proceso de ebullición de 1 g de agua, determinar las cantidades del calor transferido, el
trabajo realizado y la variación de la energía interna.
16. En la figura se muestra la transición que experimenta 1 mol de Helio desde el estado inicial 1
hasta el final 2 pasando por b. Calcular la energía calorífica transferida, el trabajo realizado y la
variación de su energía interna entre los puntos 1 y 2.
17. Un mol de gas ideal monoatómico se expande de V1 = 30 litros a V2 = 120 litros. Si la presión
inicial es P1 = 80 kPa. Calcular el trabajo realizado cuando el proceso es a) isotérmico y b)
adiabático.
18. En la figura se muestran dos trayectorias por las que pasan dos moles de gas helio, entre el
estado inicial 1 y el estado final 2; siendo 1b2 una isoterma. Calcular para cada trayectoria el
calor transferido y la temperatura en el punto “a”.
19. En un ciclo de operación un motor térmico absorbe 4000 J de calor durante la combustión y
pierde 3000 J de calor por fuga y fricción ¿Cuál es el rendimiento de este motor?
20. En la figura n moles de un gas ideal monoatómico es llevado a través de un ciclo reversible que
consta de dos procesos isotérmicos a temperaturas 3To y To y dos procesos a volumen
constante. Para cada proceso, halle en términos de n, R y To: a) el calor neto transferido, b) la
eficiencia de una máquina térmica que opera en este ciclo.
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21. En cada ciclo de su operación cierto refrigerador absorbe 100 J de calor de una fuente fría y
libera 130 J ¿Cuál es la potencia requerida para operar el refrigerador si trabaja a 60 ciclos/s?
¿Cuál es el coeficiente de eficacia del refrigerador? ¿Si se le usa como bomba de calor, cuál
es su coeficiente de eficacia?
22. Un refrigerador ideal es equivalente a una máquina de Carnot que opera a la inversa. Es decir,
el calor Q2 se absorbe de una fuente fría y el calor Q1 se libera en una fuente caliente. a)
Demuestre que el trabajo que se debe suministrar para que funcione el refrigerador es
𝑊 = (
𝑇1 − 𝑇2
𝑇2
) 𝑄2
b) Demuestre que el coeficiente de eficacia del refrigerador ideal es
𝑒 =
𝑇2
𝑇1 − 𝑇2
23. Un riel de acero de 30 m de longitud está sujeto firmemente al lecho de la vía solamente en sus
extremos. El sol aumenta la temperatura del riel en 50 °C originando un combamiento en el riel.
Suponiendo que la deformación del riel consiste en dos partes rectilíneas iguales formando un
ángulo cercano a 180°, calcule cuánto se eleva el riel en su punto medio.
24. Un tubo de vidrio cerrado en el extremo inferior contiene 1,00 cm3
de mercurio. ¿Cuál debe ser
el diámetro interior del tubo de vidrio para que un cambio de temperatura de 1 °C modifique la
altura de la columna de mercurio en 2.0 mm?
25. Un reloj de péndulo metálico adelanta 5 segundos por día a una temperatura de 15 °C y atrasa
8 segundos por día a una temperatura de 32°C. Encontrar el coeficiente de dilatación lineal del
metal del péndulo.
26. Un recipiente de vidrio a 0°C tiene una capacidad de 1000 g de líquido y de 980 g a 160°C.
Determinar el coeficiente de dilatación cúbica del líquido (vidrio 𝛼v = 9.10–6
K-1
)
27. Una máquina de Carnot cuya fuente a baja temperatura está a 200 K tiene una eficiencia del
40%. Si se desea aumentar la eficiencia al 50%, a) ¿en cuántos kelvin debe aumentarse la
temperatura de la fuente caliente si la temperatura de la fuente fría permanece constante? b)
¿En cuántos kelvin debe disminuirse la temperatura de la fuente fría si la de la otra fuente
permanece constante?
28. Sobre un mol de gas se realiza un ciclo que consta de dos isócoras y dos isóbaras. Las
temperaturas en los puntos 1 y 3 son T1 y T3, determínese el trabajo que efectúa el gas durante
dicho ciclo, si se sabe que los puntos 2 y 4 están en una isoterma común.
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29. Una bala de plomo con una velocidad de 200 m/s se detiene en un bloque de madera.
Suponiendo que toda la energía se invierte en calentar la bala, determinar la temperatura final
de esta si la temperatura inicial es de 20 °C.
30. En el diagrama PV de la figura mostrada, 0.4 moles de un gas monoatómico experimentan
cambios desde el estado A hasta el estado B. a) Determinar el trabajo efectuado por el gas al
seguir el trayecto isocórico-isobárico ACB. Calcule también el cambio en la energía interna del
gas durante ese proceso y el calor suministrado al gas. b) Ídem para el proceso isotérmico-
isobárico ADB c) Ídem para el proceso isobárico-isotérmico AEB.
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  • 1. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE CHOTA Escuela Profesional de Ingeniería Civil FÍSICA II Mg. Elmer Walmer Vásquez Bustamante TALLER DE AUTOAPRENDIZAJE TERMODINÁMICA APELLIDOS Y NOMBRES: …………………………………………………………………………………………………………………………….. Fecha de entrega: jueves 20 de abril de 2023 1. ¿Cuál es la temperatura normal del cuerpo humano expresada en grados Fahrenheit? 2. En un termómetro de gas a volumen constante se llenó el depósito de gas con aire y se encontró que a la temperatura del punto triple del agua la presión es de 9,44.104 Pa. ¿Cuál es la temperatura de un cuerpo si en contacto con él la presión del aire del termómetro es 1,07.105 Pa? 3. ¿Cuál es la variación relativa de volumen que experimenta 1 litro de aire a 15 °C cuando su temperatura cambia a 25 °C a presión normal? 4. Un cilindro tiene un émbolo movible conectado a un resorte con una constante de 2000 N/m. El cilindro se llena con 5 litros de gas con el resorte en su posición normal a una presión de 1 atmósfera y a una temperatura de 20°C. Si el émbolo tiene una sección de 0,01 m2 y de masa despreciable. a) ¿Cuánto subirá el émbolo cuando la temperatura aumenta a 250 °C.? b) ¿Cuál es la presión del gas a 250 °C? 5. Una tubería de hierro galvanizado tiene una longitud de 100 m a la temperatura de 0 °C. ¿Cuál es el aumento de longitud al momento de conducir vapor a 120 °C? El coeficiente de dilatación lineal del hierro galvanizado es 0,0000105 (1/°C). 6. Una cuerda de acero de 1 mm de diámetro se tensa entre dos soportes separados 80 cm a la temperatura de 0 °C. Si la frecuencia fundamental de las oscilaciones transversales es 200 Hz. ¿Cuál es la tensión en la cuerda? Si la temperatura aumenta a 30 °C encuentre la tensión y la frecuencia fundamental. 7. En el equipo de la figura mostrada cada masa suspendida es de 2 Kg y descienden una distancia de 1 m. Si el recipiente contiene 200 g de agua. ¿Cuál es la elevación de temperatura que el agua experimenta?
  • 2. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE CHOTA Escuela Profesional de Ingeniería Civil FÍSICA II Mg. Elmer Walmer Vásquez Bustamante 8. En un calorímetro que contiene 200 g de agua a 20 °C se introduce 300 g de agua a 80°C, alcanzando el equilibrio térmico a una temperatura de 40°C. ¿Cuál es el equivalente en agua del calorímetro? Determine ahora el calor específico de un dado de "plomo" de 100 g, llenando en el calorímetro, primero 250 g de agua a 20°C y luego el dado calentado hasta 100°C si la temperatura de equilibrio es de 21,2°C. ¿Es el dado de plomo? 9. Veamos las transformaciones que experimenta 1 g de hielo a –20 °C hasta convertirse en vapor a 120 °C. En la Figura mostrada, se representa en el eje de abscisas la cantidad de calor y en el eje de ordenadas la temperatura. La cantidad de calor que permite elevar la temperatura se denomina calor sensible y la cantidad de calor que sirve para lograr el cambio de fase se llama calor de transformación. Analice cada tramo de calor y determine la cantidad total de calor suministrada. 10. El aire en contacto con la superficie del agua de un lago se encuentra a una temperatura T2 = –20 °C. Si la densidad del hielo es 𝜌ℎ = 920 kg/m3 y sus propiedades térmicas son calor específico 𝑐𝑒 = 2093 J/kg.K, calor latente de fusión L = 335 kJ/kg, conductividad térmica k = 2,22 J/m.s.K Determinar la rapidez con la que crece el espesor de la capa de hielo. 11. Si la intensidad detectada en la alta atmósfera terrestre es 1353 W/m2 . Determine la temperatura en la superficie del Sol, suponiendo que el poder emisivo es 1. (distancia Tierra- Sol: r = 1,49.1011 m, radio del Sol R = 6,96.108 m). 12. En el interior de una habitación la temperatura es 25°C y la temperatura del medio exterior es de -15°C Si la pared que los separa de 4 mm de espesor es una plancha de vidrio de la ventana. ¿Cuál es la
  • 3. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE CHOTA Escuela Profesional de Ingeniería Civil FÍSICA II Mg. Elmer Walmer Vásquez Bustamante temperatura en cada superficie del vidrio? Para el vidrio es k = 0,837 (J/s.m.K) y para una placa vertical del mismo material el coeficiente de convección es h = 1,775(∆T)1/4 J/s.m².K 13. En un proceso termodinámico la relación entre presión y volumen de un gas está dada por p = 19V–1,4 donde el volumen V está dado en litros y p en atmósferas. ¿Cuál es el trabajo realizado por el gas al expandirse un volumen de 5 litros hasta 20 litros? 14. Sobre un gas confinado en un cilindro provisto de un pistón se realiza un trabajo de compresión equivalente a 150 J y simultáneamente se calienta el gas con 10 cal de energía calorífica. ¿Cuál es el cambio que experimenta su energía interna? 15. En el proceso de ebullición de 1 g de agua, determinar las cantidades del calor transferido, el trabajo realizado y la variación de la energía interna. 16. En la figura se muestra la transición que experimenta 1 mol de Helio desde el estado inicial 1 hasta el final 2 pasando por b. Calcular la energía calorífica transferida, el trabajo realizado y la variación de su energía interna entre los puntos 1 y 2. 17. Un mol de gas ideal monoatómico se expande de V1 = 30 litros a V2 = 120 litros. Si la presión inicial es P1 = 80 kPa. Calcular el trabajo realizado cuando el proceso es a) isotérmico y b) adiabático. 18. En la figura se muestran dos trayectorias por las que pasan dos moles de gas helio, entre el estado inicial 1 y el estado final 2; siendo 1b2 una isoterma. Calcular para cada trayectoria el calor transferido y la temperatura en el punto “a”. 19. En un ciclo de operación un motor térmico absorbe 4000 J de calor durante la combustión y pierde 3000 J de calor por fuga y fricción ¿Cuál es el rendimiento de este motor? 20. En la figura n moles de un gas ideal monoatómico es llevado a través de un ciclo reversible que consta de dos procesos isotérmicos a temperaturas 3To y To y dos procesos a volumen constante. Para cada proceso, halle en términos de n, R y To: a) el calor neto transferido, b) la eficiencia de una máquina térmica que opera en este ciclo.
  • 4. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE CHOTA Escuela Profesional de Ingeniería Civil FÍSICA II Mg. Elmer Walmer Vásquez Bustamante 21. En cada ciclo de su operación cierto refrigerador absorbe 100 J de calor de una fuente fría y libera 130 J ¿Cuál es la potencia requerida para operar el refrigerador si trabaja a 60 ciclos/s? ¿Cuál es el coeficiente de eficacia del refrigerador? ¿Si se le usa como bomba de calor, cuál es su coeficiente de eficacia? 22. Un refrigerador ideal es equivalente a una máquina de Carnot que opera a la inversa. Es decir, el calor Q2 se absorbe de una fuente fría y el calor Q1 se libera en una fuente caliente. a) Demuestre que el trabajo que se debe suministrar para que funcione el refrigerador es 𝑊 = ( 𝑇1 − 𝑇2 𝑇2 ) 𝑄2 b) Demuestre que el coeficiente de eficacia del refrigerador ideal es 𝑒 = 𝑇2 𝑇1 − 𝑇2 23. Un riel de acero de 30 m de longitud está sujeto firmemente al lecho de la vía solamente en sus extremos. El sol aumenta la temperatura del riel en 50 °C originando un combamiento en el riel. Suponiendo que la deformación del riel consiste en dos partes rectilíneas iguales formando un ángulo cercano a 180°, calcule cuánto se eleva el riel en su punto medio. 24. Un tubo de vidrio cerrado en el extremo inferior contiene 1,00 cm3 de mercurio. ¿Cuál debe ser el diámetro interior del tubo de vidrio para que un cambio de temperatura de 1 °C modifique la altura de la columna de mercurio en 2.0 mm? 25. Un reloj de péndulo metálico adelanta 5 segundos por día a una temperatura de 15 °C y atrasa 8 segundos por día a una temperatura de 32°C. Encontrar el coeficiente de dilatación lineal del metal del péndulo. 26. Un recipiente de vidrio a 0°C tiene una capacidad de 1000 g de líquido y de 980 g a 160°C. Determinar el coeficiente de dilatación cúbica del líquido (vidrio 𝛼v = 9.10–6 K-1 ) 27. Una máquina de Carnot cuya fuente a baja temperatura está a 200 K tiene una eficiencia del 40%. Si se desea aumentar la eficiencia al 50%, a) ¿en cuántos kelvin debe aumentarse la temperatura de la fuente caliente si la temperatura de la fuente fría permanece constante? b) ¿En cuántos kelvin debe disminuirse la temperatura de la fuente fría si la de la otra fuente permanece constante? 28. Sobre un mol de gas se realiza un ciclo que consta de dos isócoras y dos isóbaras. Las temperaturas en los puntos 1 y 3 son T1 y T3, determínese el trabajo que efectúa el gas durante dicho ciclo, si se sabe que los puntos 2 y 4 están en una isoterma común.
  • 5. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE CHOTA Escuela Profesional de Ingeniería Civil FÍSICA II Mg. Elmer Walmer Vásquez Bustamante 29. Una bala de plomo con una velocidad de 200 m/s se detiene en un bloque de madera. Suponiendo que toda la energía se invierte en calentar la bala, determinar la temperatura final de esta si la temperatura inicial es de 20 °C. 30. En el diagrama PV de la figura mostrada, 0.4 moles de un gas monoatómico experimentan cambios desde el estado A hasta el estado B. a) Determinar el trabajo efectuado por el gas al seguir el trayecto isocórico-isobárico ACB. Calcule también el cambio en la energía interna del gas durante ese proceso y el calor suministrado al gas. b) Ídem para el proceso isotérmico- isobárico ADB c) Ídem para el proceso isobárico-isotérmico AEB.