Guia. Termodinámica

Termodinámica                

Juan Chamorro G.

Guía de Ejercicios 2

Ejercicio 1.-  Una máquina de vapor opera entre 150 y 30 °C y realiza 1000 joules de trabajo.  ¿Cuál es la cantidad mínima de calor que debe sacarse desde la fuente térmica con el fin de realizar ese trabajo?.  ¿Cuál de las siguientes opciones dará el mayor aumento en la eficiencia de la máquina:  (a) Un aumento ΔT en la temperatura de la fuente a alta temperatura,  (b) Una disminución ΔT en la temperatura de la fuente a baja temperatura.          

(Respuesta:  Calor mínimo extraído = 3525 joules ;  eficiencia (a) = [ (T2 – T1) + ΔT] / (T2 + ΔT) ; eficiencia (b) =  [ (T2 – T1) + ΔT] / T2 ;  eficiencia (b) > eficiencia (a) )

Ejercicio 2.-  El estado inicial de un mol de gas ideal es P = 10 atm y T= 300 °K. Si el gas disminuye su presión hasta 1 atm, calcule el cambio de entropía si el proceso se realiza:  (a) isotérmicamente, (b) adiabática  y reversiblemente y (c) a volumen constante.

(Respuesta : (a)19,14 joules/°K, (b) cero, (c)  -28,62 joules /°K)

Ejercicio 3.-  Un mol de gas ideal se somete a la siguiente serie de pasos: (a) Comenzando a 300 ºK y a 10 atm, el gas se expande libremente en el vacío hasta triplicar su volumen, (b) después el gas se caliente hasta 400 ºK a volumen constante, (c) luego se expande isotérmica y reversiblemente  hasta que su volumen se triplica nuevamente y (d) finalmente el gas se enfría reversiblemente hasta 300 ºK  a presión constante.  Calcule ΔU, ΔH, q, w y ΔS en el gas.

(Respuesta : ΔU = 0, ΔH = 0, q = w = 2322 joules  y ΔS = 15,88 joules/°K)

Ejercicio 4.-  Desde 298 °K hasta su temperatura de fusión de 1048 °K, la capacidad calórica molar a presión constante del RbF esta dada por :

Cp = 7,97 + 9,2.10-3T + 1,21.105T-2    [calorías/°K]

y desde su temperatura de fusión hasta 1200 °K su capacidad calórica molar a presión constante esta dada por :

Cp = -11,30 + 0,833.10-3T + 350,7.105T-2    [calorías/°K]

A su temperatura de fusión el calor molar de fusión del RbF es de 6300 calorías. Calcule el aumento de entropía de 1 mol de RbF cuando se calienta desde 300 hasta 1200 °K.  

(Respuesta : 25,87 unidades de entropía)

Ejercicio 5.-  Calcule ΔH1000 y ΔS1000 para la reacción :

Pb(l) + ½ O2(g) = PbO(s)

(Respuesta: ΔH1000 = -51855 calorías y ΔS1000 = -23,25 unidades de entropía)

Ejercicio 6.- )   Un mol de cobre a una temperatura uniforme de 0 ºC se pone en contacto térmico con un segundo mol de cobre que se encuentra inicialmente a 100 ºC.  Calcule la temperatura de los dos moles del sistema el cual se encuentra contenido adiabáticamente, cuando se alcanza el equilibrio térmico.   ¿Cuánto calor es transferido y cuánta entropía es producida?. La capacidad calórica molar a presión constante del cobre sólido varía con la temperatura según:   cp = 22,64 + 6.28.10-3.T   (J/mol. ºK)

(Respuestas :   323 ºK, calor transferido = 1233 Joules, ΔS irrev. = 0,6 J /ºK)

Ejercicio 7.-   Cual de los siguientes procesos libera más calor ?

1. Oxidación del grafito a CO a 1000°K
2. Oxidación del diamante a CO a 1000°K

(Respuesta: H(diamante, 1000°K) – H(grafito, 1000°K) = 227 calorías. El proceso (b) es 227 calorías por mol de C más exotérmico que el proceso (a) )

Ejercicio 8.-  Un recipiente adiabático contiene 1000 gramos de aluminio liquido a 700 °C. Calcule la cantidad de Cr2O3 que debe agregarse al aluminio liquido, con el cual reacciona para formar Cr y Al2O3, que elevaría la temperatura a 1000 °C de la mezcla resultante formada por Al2O3(s), Cr(s) y Cr2O3(s). La temperatura inicial del Cr203 agregado es de 25 °C.

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