1. Este documento presenta 19 problemas de física relacionados con procesos termodinámicos de gases ideales como ciclos, compresiones, expansiones y cambios de estado. Los problemas incluyen gráficas y diagramas pV y requieren calcular cantidades como trabajo, calor, temperatura y eficiencia.

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FÍSICA 2
PRÁCTICA DIRIGIDA NRO 5
1. Demostrar que en un proceso adiabático la presión y el volumen estan relacionados
por:
pV γ
= constante; γ =
CP
CV
2. Demostrar que el trabajo en un proceso adiabático en la cual el gas se expande de
V1 a V2 esta dado por:
W1→2 =
p2V2 − p1V1
1 − γ
;
3. Un mol de un gas monoatómico se calienta de tal manera que su calor específico
molar es 2R. Durante el calentamiento el volumen del gas se duplica. Determinar
en qué factor cambia la temperatura.
4. Un cilindro con pistón contiene 0,150 moles de nitrógeno a 180 kPa y 300 K. El
nitrógeno puede tratarse como un gas ideal. Primero, el gas se comprime isobárica-
mente a la mitad de su volumen original. Luego, se expande adiabáticamente hasta
su volumen original. Por último, se calienta isocóricamente hasta su presión original.
a) Muestre esta serie de procesos en una gráfica pV.
b) Calcular las temperaturas al principio y al final de la expansión adiabática.
c) Calcular la presión mínima.
5. La razón de compresión de un gas ideal encerrado en un recipiente termicamente
aislado es de 15 a 1. Si la presión inicial es de 100 kPa y la temperatura inicial es
de 300 K. Calcular la presión y la temperatura final después de la compresión.
6. Un gas se somete a dos procesos. En el primero, el volumen permanece constante
en 0,200 m3
y la presión aumenta de 200 kPa a 500 kPa. El segundo proceso es una
compresión a un volumen de 0,120 m3
, a presión constante de 500 kPa.
a) Representar ambos procesos en una gráfica pV.
b) Calcular el trabajo total efectuado por el gas durante los dos procesos.
7. Un recipiente con helio está sellado por un pistón movil, tal como se muestra en la
figura. Inicialmente el pistón está en equilibrio, luego el pistón entonces se levanta
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lentamente una distancia L y se mantiene hasta que se restablece el equilibrio térmico
con el entorno. Después de eso el contenedor se aisl térmicamente del entorno y el
pistón es liberado. Determinar la posición final del pistón con respecto a su posición
inicial. Despreciar la presión del aire exterior en el pistón y las capacidades caloríficas
del pistón y la recipiente.
8. Un mol de helio sigue el proceso 1-2 que se muestra en el diagrama. Durante el
proceso la temperatura del gas depende de su volumen, T = bV 2
, donde b es una
constante. Durante el proceso, la temperatura del gas en el estado (2) es cuatro veces
la temperatura del estado (1). Determinar el calor absorbido y el trabajo realizado
por el gas.
9. Un sistema termodinámico se lleva del estado a al estado c tal como se muestra en
la figura, siguiendo la trayectoria abc, o bien, la trayectoria adc. Por la trayectoria
abc, el trabajo W efectuado por el sistema es de 450 J. Por la trayectoria adc, W
es de 120 J. Las energías internas de los cuatro estados mostrados en la figura son:
Ua = 150 J, Ub = 240 J Uc = 680 J y Ud = 330 J. Calcular el flujo de calor Q para
cada uno de los cuatro procesos: ab, bc, ad y dc. En cada proceso.
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10. En la figura se muestra el ciclo termodinámico correspondiente a una máquina
térmica. La temperatura del estado A es 300 K.
a) Determinar las variables de estado en cada estado.
b) Calcular el calor en cada proceso y determinar en qué procesos absorbe o
expulsa calor.
c) Calcular el trabajo neto sumando el trabajo de cada proceso.
d) Verificar que el área dentro del ciclo es igual al trabajo neto.
e) Trazar las isotermas correspondientes a las temperaturas máximas y mínimas
que experimenta el gas.
f ) Comparar la eficiencia del ciclo comparada con la eficiencia teórica máxima.
11. Un motor de gasolina recibe 16,1 kJ de calor y produce 3,7 kJ de trabajo por ciclo.
Si la gasolina tiene un calor de combustión de 46 kJ/g, calcular:
a) la eficiencia del ciclo.
b) el calor que desecha en cada ciclo.
c) la masa de gasolina que se quema en cada ciclo.
d) la potencia de salida si el motor opera a 60 ciclos/s.
12. Calcular la eficiencia teórica para un ciclo Otto con γ = 1, 4 y r = 9, 5. Si un motor
de combustión que utiliza este ciclo consume 10 kJ de calor de la combustión de la
gasolina, determinar el calor que expulsa hacia el foco frío.
13. Un refrigerador ideal opera con un ciclo de Carnot, la temperatura exterior del
refrigerador es de 27 °C y la temperatura interior es de -3 °C. Si el compresor hace
un trabajo de 1000 J, determinar la cantidad de calor que expulsa al exterior.
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14. Un congelador opera durante 5 horas cada día, el congelador mantiene su interior
a -5,0 °C en una habitación a 27,0 °C, determinar la cantidad teórica de hielo que
este congelador puede hacer en una hora, comenzando con agua a 30,0 °C.
15. En el ciclo mostrado en la figura, AB es una adiabática (γ = 1, 4), BC es una isóbara
(350 kPa), CD es una isoterma (T = 900 K) y DA es una isóbara (100 kPa). El
volumen de A es 0,01 m3
y el volumen de D es 0,060 m3
. Determinar el trabajo útil
realizado en cada ciclo.
16. En el ciclo mostrado en la figura, AB es una isóbara (100 kPa) , BC es una isócora
(V = 0,02 m3
) y CA es una isoterma (T = 580 K). Si el ciclo opera cada 10 s,
determinar la potencia útil y la eficiencia del ciclo.
17. Una mol de helio sigue el ciclo de 1-2-3-1 mostrado en el diagrama. Durante el
proceso de 1-2 la temperatura del gas depende de su volumen como T = bV 2
,
donde b es una constante. Durante el ciclo la temperatura máxima del gas es cuatro
veces la temperatura mínima. Si el gas absorbe la cantidad de calor Q durante el
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proceso de 1-2, determinar la cantidad de calor que dispa el gas durante el proceso
de 2-3-1.
18. El motor de un BMW realiza un ciclo Otto con una razón de compresión de 8,5.
En cuánto aumenta la eficiencia del motor si la razón de compresión aumenta a 9,6.
Usar γ = 5/3.
19. Un gas ideal se somete a un ciclo circular tal como se muestra en la diagrama pV.
Determinar la eficiencia de un ciclo de Carnot que opera entre las temperaturas
máximas y mínimas de este ciclo circular.
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