Ejercicios resueltos de termodinámica

Ejercicios de la unidad 4 del curso de física: termodinámica. Resuelve cada uno y después da clic en «Ver respuesta» para revisar el procedimiento.

Temperatura y calor

1.- Convierte 25 °C a kelvin y a Fahrenheit.

1. RespuestaVer respuestaOcultar respuesta

$25 + 273 = 298$ K; $\;1.8(25) + 32 = 77$ °F.

2.- ¿A cuántos grados Celsius equivalen 212 °F?

• a) 100 °C
• b) 117.8 °C
• c) 373 °C
• d) 180 °C

2. RespuestaVer respuestaOcultar respuesta

a) $\dfrac{212 - 32}{1.8} = 100$ °C (ebullición del agua).

3.- ¿Cuál es la diferencia entre calor y temperatura?

3. RespuestaVer respuestaOcultar respuesta

La temperatura mide la energía cinética promedio de las partículas; el calor es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro por diferencia de temperatura.

4.- ¿Cuántas calorías se necesitan para calentar 500 g de agua de 10 °C a 50 °C?

4. RespuestaVer respuestaOcultar respuesta

$Q = mc\Delta T = 500(1)(40) = 20\,000$ cal.

5.- ¿Qué calor se necesita para elevar 30 °C la temperatura de 2 kg de aluminio ($c = 900$ J/kg·°C)?

5. RespuestaVer respuestaOcultar respuesta

$Q = 2(900)(30) = 54\,000$ J $= 54$ kJ.

6.- Se mezclan 100 g de agua a 90 °C con 400 g de agua a 15 °C. ¿Cuál es la temperatura final?

• a) 52.5 °C
• b) 30 °C
• c) 45 °C
• d) 37.5 °C

6. RespuestaVer respuestaOcultar respuesta

b) $100(90 - T) = 400(T - 15) \Rightarrow 9000 - 100T = 400T - 6000 \Rightarrow 500T = 15\,000 \Rightarrow T = 30$ °C.

7.- ¿Cómo llega el calor del Sol a la Tierra?

7. RespuestaVer respuestaOcultar respuesta

Por radiación: las ondas electromagnéticas pueden viajar por el vacío del espacio. La conducción y la convección necesitan un medio material.

8.- ¿Por qué el agua de una olla se calienta de manera uniforme aunque solo el fondo toca el fuego?

8. RespuestaVer respuestaOcultar respuesta

Por convección: el agua caliente del fondo sube y la fría baja, formando corrientes que reparten el calor.

Leyes de la termodinámica

9.- Un gas absorbe 500 J de calor y realiza 200 J de trabajo. ¿Cuánto cambia su energía interna?

9. RespuestaVer respuestaOcultar respuesta

$\Delta U = Q - W = 500 - 200 = 300$ J.

10.- En un proceso adiabático:

• a) La temperatura es constante
• b) No hay intercambio de calor
• c) El volumen es constante
• d) La presión es constante

10. RespuestaVer respuestaOcultar respuesta

b) $Q = 0$, así que $\Delta U = -W$.

11.- ¿Cuál es la eficiencia máxima de una máquina térmica que opera entre 227 °C y 27 °C?

11. RespuestaVer respuestaOcultar respuesta

En kelvin: $T_c = 500$ K y $T_f = 300$ K. $e = 1 - \dfrac{300}{500} = 0.4$, es decir, 40 %.

12.- Una máquina recibe 2 000 J de calor y cede 1 400 J al depósito frío. ¿Qué trabajo realiza y cuál es su eficiencia?

12. RespuestaVer respuestaOcultar respuesta

$W = 2000 - 1400 = 600$ J; $e = \dfrac{600}{2000} = 0.3$ (30 %).

13.- ¿Qué ley de la termodinámica dice que el calor fluye espontáneamente de lo caliente a lo frío?

13. RespuestaVer respuestaOcultar respuesta

La segunda ley (enunciado de Clausius).

Gases

14.- Un gas ocupa 6 L a 2 atm. ¿Qué volumen ocupa a 3 atm, a temperatura constante?

14. RespuestaVer respuestaOcultar respuesta

Ley de Boyle: $V_2 = \dfrac{2(6)}{3} = 4$ L.

15.- Un globo de 2 L a 27 °C se calienta a 127 °C a presión constante. ¿Qué volumen alcanza?

• a) 9.4 L
• b) 2.67 L
• c) 1.5 L
• d) 4 L

15. RespuestaVer respuestaOcultar respuesta

b) Ley de Charles con kelvin: $V_2 = 2\cdot\dfrac{400}{300} \approx 2.67$ L.

16.- ¿Qué presión ejercen 0.5 moles de gas a 273 K en un recipiente de 5.6 L? ($R = 0.082$ atm·L/mol·K)

16. RespuestaVer respuestaOcultar respuesta

$P = \dfrac{0.5(0.082)(273)}{5.6} = \dfrac{11.19}{5.6} \approx 2$ atm.

Si tuviste dudas, repasa las clases de esta unidad:

Calor y temperatura

Leyes de la termodinámica

Teoría cinética y gases ideales

Referencias

• Tippens, P. E. (2011). Física: conceptos y aplicaciones (7.ª ed.). McGraw-Hill.
• Colegio Nacional de Matemáticas. Guía práctica para el examen de ingreso a la universidad. Pearson Educación (temario de referencia).

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