Termodinámica: problemas e solucións

Termodinámica: problemas e solucións

A primeira lei da termodinámica

1. Baseándose no gráfico PV de abaixo, cal é a relación entre o traballo realizado polo gas no proceso I e o traballo realizado polo gas no proceso II?

Coñecido:

Proceso 1:

Presión (P) = 20 N/ ^m²

Volume inicial (V1 ⁾ ₌ 10 litros = 10 dm3 ⁼ 10 x ^10⁻³ m3

Volume final (V₂ ₎ = 40 litros = 40 dm³ ^{= 40} x ^10⁻³ m³

Proceso 2:

Proceso (P) = 15 N/ ^m²

Volume inicial (V1 ⁾ ₌ 20 litros = 20 dm3 ⁼ 20 x ^10⁻³ m3

Volume final (V₂ ₎ = 60 litros = 60 dm³ ^{= 60} x ^10⁻³ m³

Buscado: A proporción do traballo realizado polo gas

Solución:

O traballo realizado polo gas no proceso I:

W = P ΔV = P (V₂ _–V₁ ) ₌ (20)(40-10)( ^10⁻³ m³ ⁾ = (20)(30)(10⁻³ ^m³ ) ⁼ (600)( ^10⁻³ m³ ⁾ = 0.6 ^m³

O traballo realizado polo gas no proceso II:

W = P ΔV = P (V₂ _–V₁ ) ₌ (15)(60-20)( ^10⁻³ m³ ⁾ = (15)(40)(10⁻³ ^m³ ) ⁼ (600)( ^10⁻³ m³ ⁾ = 0.6 ^m³

A relación entre o traballo realizado polo gas no proceso I e no proceso II:

0.6 m³ ^: 0.6 ^m³

1: 1

2.

Baseándose no gráfico seguinte, cal é o traballo realizado polo gas helio no proceso AB?

Coñecido:

Presión (P) = 2 x 10⁵ ^N /m² ⁼ 2 x ^10⁵ pascales

Volume inicial (V1 ⁾ ₌ 5 cm3 ⁼ 5 x ^10⁻⁶ m3

Volume final (V₂ ⁾ ₌ 15 cm₃ ⁼ 15 x ^10⁻⁶ m₃

Buscase: traballo realizado polo gas no proceso AB

Solución:

W = ∆P ∆V

W = P ( _V² – _V¹ )

W = (2 x 10⁻⁵ ⁾ (15 x 10⁻⁶ ^– 5 x ^10⁻⁶ )

W = (2 x 10⁵ ⁾ (10 x ^10⁻⁶ ) = (2 x ^10⁵ )(1 x ^10⁻⁶ )

W = 2 Joules

3.

Segundo a gráfica seguinte, cal é o traballo realizado no proceso AB?

Coñecido:

Presión inicial (P1 ₎ = 4 Pa ​​​​= 4 N/ ^m2

Presión final (P2 ₎ = 6 Pa = 6 N/ ^m2

Volume inicial (V1 ₎ = 2 ^m3

Volume final (V2 ₎ = 4 ^m3

Buscase: traballo feito, proceso ab

Solución:

Traballo realizado polo gas = área baixo a curva ab

W = área do triángulo + área do rectángulo

W = ½ (6-4)(4-2) + 4(4-2)

W = ½ (2)(2) + 4(2)

W = 2 + 8

W = 10 Joules

4. Baseándose no gráfico seguinte, cal é o traballo realizado no proceso ABCA?

Solución:

Traballo (W) = Área do triángulo ABC

W = ½ (20-10)(6 x 10⁻⁵ ^– 2 x ^10⁻⁵ )

W = ½ (10)(4 x ^10⁻⁵ )

W = (5)(4 x ^10⁻⁵ )

A = 20 x ^10⁵

W = 2 x ^10⁵ Joules

Motor térmico

5. Un motor absorbe 2000 joules de calor a alta temperatura e emite 1200 joules de calor a baixa temperatura. Cal é a eficiencia do motor?

Coñecido:

Entrada de calor (Q _H ) = 2000 Joules

Potencia calorífica (Q _L ) = 1200 Joules

Traballo realizado polo motor (W) = 2000 – 1200 = 800 Joules

Buscase: eficiencia (e)

Solución:

e = W / Q _H

e = 800/2000

e = 0.4 x 100%

e = 40%

Motor de Carnot

6. Un motor absorbe calor a 960 Kelvin e o motor descarga calor a 576 Kelvin. Cal é a eficiencia do motor?

Coñecido:

Temperatura máxima (T _H ) = 960 K

Baixa temperatura (T _L ) = 576 K

Buscase: eficiencia (e)

Solución:

Eficiencia do motor de Carnot = 0.4 x 100% = 40%

7. Segundo o gráfico seguinte, o traballo realizado polo motor é de 6000 joules. Cal é a calor descargada polo motor en cada círculo?

Coñecido:

Traballo (W) = 6000 Joules

Temperatura máxima (T _H ) = 800 Kelvin

Baixa temperatura (T _L ) = 300 Kelvin

Buscase: calor liberada polo motor

Solución :

Eficiencia de Carnot (ideal):

Calor absorbida pola máquina de Carnot:

W = e _Q1

6000 = (0.625) _Q1

Q1 ₌ 6000 / 0.625

Q1 = ₉₆₀₀

Calor liberada pola máquina de Carnot:

Q2 = _Q1 – _W

Q2 = 9600 – ₆₀₀₀

Q2 = ₃₆₀₀ Joules

8. A eficiencia dun motor de Carnot é do 40 %. Se se absorbe calor a 727 °C, cal é a baixa temperatura?

Coñecido:

Eficiencia (e) = 40% = 40/100 = 0.4

Temperatura máxima (T _H ) = 727 ^° C + 273 °C = 1000 K

Buscase: Baixa temperatura

Solución:

T _L = 600 Kelvin – 273 = 327 ^° C

9. Segundo o gráfico seguinte, se o motor absorbe 800 J de calor, cal é o traballo realizado polo motor?

Coñecido:

Temperatura máxima (T _H ) = 600 Kelvin

Baixa temperatura (T _L ) = 250 Kelvin

Entrada de calor (Q1 ₎ = 800 Joules

Buscase: Traballo (M)

Solución:

A eficiencia da máquina de Carnot:

Traballo realizado polo motor:

W = e _Q1

W = (7/12)(800 Joules)

W = 466.7 Joules

10. A temperatura máxima dun motor de Carnot é de 600 K. Se o motor absorbe 600 J de calor e a temperatura mínima é de 400 K, cal é o traballo realizado polo motor?

Coñecido:

Baixa temperatura (T _L ) = 400 K

Temperatura máxima (T _H ) = 600 K

Entrada de calor (Q1 ₎ = 600 Joules

Buscase: Traballo realizado pola máquina de Carnot (W)

Solución:

A eficiencia da máquina de Carnot:

Traballo realizado pola máquina de Carnot:

W = e _Q1

W = (1/3)(600) = 200 Joules

1. Cal é o foco principal da termodinámica? ResponderA termodinámica céntrase no estudo da enerxía, as súas transformacións e a súa relación coa materia, especialmente en sistemas en equilibrio.
2. Como se relaciona a lei cero da termodinámica coa temperatura? ResponderA lei cero afirma que se dous sistemas están en equilibrio térmico cun terceiro sistema, entón están en equilibrio térmico entre si. Isto implica a existencia dunha propiedade chamada temperatura, que é a mesma para todos os sistemas en equilibrio térmico.
3. Que describe a primeira lei da termodinámica? ResponderA primeira lei, tamén coñecida como lei da conservación da enerxía, afirma que a enerxía non se pode crear nin destruír, só converter dunha forma a outra. Nun sistema pechado, a variación de enerxía interna é igual á calor engadida ao sistema menos o traballo realizado polo sistema na súa contorna.
4. Por que é crucial a segunda lei da termodinámica para comprender a dirección dos procesos naturais? ResponderA segunda lei afirma que a entropía (ou desorde) dun sistema illado sempre aumenta ou permanece constante. Isto dita que a enerxía se dispersa espontaneamente se non se lle impide facelo, o que proporciona unha dirección aos procesos naturais e explica esencialmente por que certos procesos ocorren espontaneamente mentres que outros non.
5. Que é a entropía e como se relaciona coa desorde nun sistema? ResponderA entropía é unha medida da cantidade de enerxía nun sistema que non está dispoñible para realizar traballo. Tamén se describe a miúdo como unha medida da desorde ou aleatoriedade do sistema. En xeral, unha maior entropía corresponde a unha maior desorde ou aleatoriedade.
6. Como describe a terceira lei da termodinámica a entropía dun cristal perfecto no cero absoluto? ResponderA terceira lei afirma que a entropía dun cristal perfecto é exactamente cero á temperatura cero absoluta (0 Kelvin). Isto significa que a esta temperatura, o sistema está perfectamente ordenado.
7. Por que a calor non pode fluír por si soa dun corpo máis frío a un máis quente? ResponderEste comportamento é consecuencia da segunda lei da termodinámica. Se a calor fluíse dun corpo máis frío a un máis quente espontaneamente, provocaría unha diminución da entropía global do sistema, o que non se ve favorecido polos procesos naturais.
8. Cal é a diferenza entre un sistema illado, pechado e aberto en termodinámica? ResponderUn sistema illado non intercambia enerxía nin materia co seu contorno. Un sistema pechado pode intercambiar enerxía pero non materia co seu contorno. Un sistema aberto pode intercambiar tanto enerxía como materia co seu contorno.
9. En que se diferencia o concepto de "traballo" en termodinámica do uso cotián do termo? ResponderEn termodinámica, o termo «traballo» refírese ao proceso de transferencia de enerxía no que as forzas aplicadas a un obxecto o moven nunha dirección paralela á forza. Por exemplo, cando un gas se expande contra un pistón, realiza un traballo sobre o pistón. Esta é unha definición máis específica en comparación co uso cotián de «traballo», que podería simplemente significar calquera tarefa ou actividade.

10. Que é un ciclo de Carnot e por que é significativo en termodinámica? Resposta : O ciclo de Carnot é un ciclo termodinámico idealizado que proporciona un límite superior á eficiencia que calquera motor termodinámico clásico pode alcanzar durante a conversión de calor en traballo (ou viceversa). É significativo porque establece un límite de eficiencia fundamental baseado nas temperaturas dos depósitos de calor entre os que opera un motor.