SERWAY - JEWETT

Problemas 635
15. O Considere los procesos que se muestran en la figura P22.14
y que se describen en la pregunta 14. Clasifique los procesos
del A al H de acuerdo con el cambio de entropía del gas ideal
monoatómico, desde el mayor valor positivo hasta el valor negativo
de mayor magnitud.
16. El escape de energía en una estación de generación eléctrica
impulsada por carbón, se realiza al “enfriar el agua” en el lago
Ontario. El agua queda caliente, según las criaturas vivientes
del lago. Algunas de ellas se congregan alrededor del puerto
de salida y pueden impedir que circule el agua. a) Use la teoría
de las máquinas térmicas para explicar por qué esta acción
puede reducir la salida de potencia eléctrica de la estación.
b) Un ingeniero dice que la salida eléctrica se reduce debido
a “mayor contrapresión en las aspas de la turbina”. Comente
acerca de la precisión de este enunciado.
17. O Suponga que una muestra de gas ideal está a temperatura
ambiente. ¿Qué acción hará que la entropía de la muestra
aumente? a) transferencia de energía por calor hacia él,
b) transferencia de energía hacia él irreversiblemente por
calor, c) hacer trabajo sobre él, d) aumentar o su temperatura
o su volumen, sin dejar que la otra variable disminuya,
e) ninguna de estas opciones.
18. Suponga que su compañero de cuarto es el “Sr. Limpio” y pone
en orden su muy sucia habitación después de una gran fiesta.
Dado que su compañero de cuarto crea más orden, ¿este proceso
representa una violación de la segunda ley de la termodinámica?
19. “La energía es el ama del Universo y la entropía es su sombra.”
Al escribir para un auditorio, argumente a favor de este
enunciado con ejemplos. Además, argumente para la visión
de que la entropía es como un decisivo ejecutivo práctico que
determina lo que ocurrirá, mientras que la energía es como un
miserable contador detrás de la puerta que dice cuán poco se
puede permitir. (Arnold Sommerfeld sugirió la idea para esta
pregunta.)
20. Si usted agita un frasco lleno con frijoles de grenetina de diferentes
tamaños, los frijoles de grenetina más grandes tienden a
aparecer cerca de la parte superior y los más pequeños tienden
a caer al fondo. ¿Por qué? ¿Este proceso viola la segunda ley de
la termodinámica?
Problemas
1. Una máquina térmica admite 360 J de energía de un depósito
caliente y realiza 25.0 J de trabajo en cada ciclo. Encuentre
a) la eficiencia de la máquina y b) la energía expulsada al
depósito frío en cada ciclo.
2. Un arma es una máquina térmica. En particular, es una máquina
de pistón de combustión interna que no funciona en
un ciclo, sino que se aparta durante su proceso de expansión
adiabática. Cierta arma consiste de 1.80 kg de hierro. Dispara
una bala de 2.40 g a 320 m/s con una eficiencia energética
de 1.10%. Suponga que el cuerpo del arma absorbe toda la
salida de energía, el otro 98.9%, y aumenta uniformemente
en temperatura durante un breve intervalo de tiempo, antes
de perder alguna energía por calor en el ambiente. Encuentre
su aumento de temperatura.
3. Una máquina térmica tiene una potencia de salida mecánica
de 5.00 kW y una eficiencia de 25.0%. La máquina expulsa
8 000 J de energía de escape en cada ciclo. Encuentre a) la
energía que admite durante cada ciclo y b) el intervalo de
tiempo por cada ciclo.
4. Un motor de gasolina multicilindro en un avión, que funciona
a 2 500 rev/min, admite 7.89 10 3 J de energía y expulsa 4.58
10 3 J por cada revolución del cigüeñal. a) ¿Cuántos litros
de combustible consume en 1.00 h de operación, si el calor
de combustión es 4.03 10 7 J/L? b) ¿Cuál es la potencia mecánica
de salida de la máquina? Ignore la fricción y exprese
la respuesta en caballos de potencia. c) ¿Cuál es el momento
de torsión que ejerce el cigüeñal sobre la carga? d) ¿Qué potencia
debe transferir afuera del motor el sistema de escape y
enfriamiento?
5. Suponga que una máquina térmica se conecta a dos depósitos
de energía, uno es una alberca de aluminio fundido (660°C)
y el otro un bloque de mercurio sólido (38.9°C). La máquina
participa al congelar 1.00 g de aluminio y fundir 15.0 g de
mercurio durante cada ciclo. El calor de fusión del aluminio
es 3.97 10 5 J/kg; el calor de fusión del mercurio es 1.18
10 4 J/kg. ¿Cuál es la eficiencia de esta máquina?
6. Un refrigerador tiene un coeficiente de realización igual a
5.00. El refrigerador admite 120 J de energía de un depósito
frío en cada ciclo. Encuentre a) el trabajo requerido en cada
ciclo y b) la energía expulsada al depósito caliente.
7. Un refrigerador tiene un coeficiente de realización de 3.00.
El compartimiento de charolas de hielo está a 20.0°C, y la
temperatura ambiente es de 22.0°C. El refrigerador puede
convertir 30.0 g de agua a 22.0°C a 30.0 g de hielo a 20.0°C
cada minuto. ¿Qué potencia de entrada se requiere? Proporcione
su respuesta en watts.
8. En 1993 el gobierno estadounidense instituyó el requisito
de que todos los acondicionadores de aire que se vendan en
Estados Unidos deben tener un factor de eficiencia energética
(EER, por sus siglas en inglés) de 10 o mayor. El EER se define
como la relación de la capacidad de enfriamiento del acondicionador
de aire, medido en unidades térmicas británicas
por hora, o Btu/h, a su requerimiento de energía eléctrica en
watts. a) Convierta el EER de 10.0 a forma adimensional, con
el uso de la conversión 1 Btu 1 055 J. b) ¿Cuál es el nombre
adecuado de esta cantidad adimensional? c) Alrededor
de 1970 era común encontrar acondicionadores de aire de
habitación con EER de 5 o menos. Establezca la comparación
de los costos de operación para acondicionadores de aire de
10 000 Btu/h con EER de 5.00 y 10.0. Suponga que cada acondicionador
de aire opera durante 1 500 h durante el verano en
una ciudad donde la electricidad cuesta 10.0¢ por kWh.
9. Una de las máquinas térmicas más eficientes jamás construida
es una turbina de vapor en el valle del río Ohio, que funciona
entre 430°C y 1 870°C con energía del carbón de Virginia del
2 intermedio; 3 desafiante; razonamiento simbólico; razonamiento cualitativo