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634 Capítulo 22 Máquinas térmicas, entropía y segunda ley de la termodinámica
3. Una turbina impulsada por vapor es uno de los componentes
principales de una planta eléctrica. ¿Por qué es ventajoso tener
la temperatura del vapor tan alta como sea posible?
4. ¿La segunda ley de la termodinámica contradice o corrige la
primera ley? Argumente su respuesta.
5. “La primera ley de la termodinámica dice que en realidad no
se puede ganar, y la segunda ley dice que ni siquiera puede
quedar empatado.” Explique cómo se aplica este enunciado a
un dispositivo o proceso particular; además argumente contra
el enunciado.
6. O La flecha OA en el diagrama PV que se muestra en la figura
P22.6 representa una expansión adiabática reversible de un
gas ideal. La misma muestra de gas, a partir del mismo estado
O, ahora experimenta una expansión libre adiabática hacia el
mismo volumen final. ¿Qué punto sobre el diagrama podría
representar el estado final del gas? a) el mismo punto A como
para la expansión reversible, b) el punto B, c) el punto C,
d) cualquiera de estas opciones, e) ninguna de estas opciones.
P
O
Figura P22.6
7. Dé varios ejemplos de procesos irreversibles que se presentan
en la naturaleza. Proporcione un ejemplo de un proceso en la
naturaleza que sea casi reversible.
8. El dispositivo que se muestra en la figura P22.8, llamado convertidor
termoeléctrico, usa una serie de celdas semiconductoras
para transformar energía interna en energía potencial
eléctrica, que se estudiará en el capítulo 25. En la fotografía
a la izquierda, ambas patas del dispositivo están a la misma
temperatura y no se produce energía potencial eléctrica. Sin
embargo, cuando una pata está a una temperatura mayor que
la otra, como se muestra en la fotografía de la derecha, se
produce energía potencial eléctrica conforme el dispositivo extrae
energía del depósito caliente y activa un pequeño motor
eléctrico. a) ¿Por qué es necesaria la diferencia en temperatura
para producir energía potencial eléctrica en esta demostración?
b) ¿En qué sentido este intrigante experimento demuestra
la segunda ley de la termodinámica?
B
A
C
V
tienda de electrodomésticos le acaba de entregar su nuevo
acondicionador de aire, pero usted está muy cansado para instalarlo
de manera adecuada. Hasta que el sol se ponga, hará
más calor afuera que adentro, así que no abre una ventana.
i) Saca el acondicionador de su caja, lo pone en la mesa del comedor,
lo conecta y enciende. ¿Qué ocurre con la temperatura
del departamento? a) Aumenta. b) Disminuye. c) Permanece
constante. ii) Suponga que, en vez de ello, saca rápidamente
todos los cubos de hielo y vegetales del congelador del refrigerador,
los pone en un tazón sobre la mesa y cierra el refrigerador.
¿Qué ocurre ahora con la temperatura del departamento?
Elija entre las mismas posibilidades.
10. O i) La segunda ley de la termodinámica afirma que el coeficiente
de realización de un refrigerador debe ser a) menor
que 1, b) menor que o igual a 1, c) mayor que o igual a 1,
d) menor que infinito o e) mayor que 0. ii) ¿Cuál debe ser
el coeficiente de realización de una bomba de calor, según
la segunda ley de la termodinámica? Elija entre las mismas
posibilidades.
11. Explique tres ejemplos diferentes, que sean comunes, de procesos
naturales con un aumento en entropía. Asegúrese de
explicar todas las partes de cada sistema.
12. Explique el cambio de entropía de un gas que se expande a) a
temperatura constante y b) adiabáticamente.
13. O Ocurre un proceso termodinámico en el que la entropía
de un sistema cambia en 8 J/K. De acuerdo con la segunda
ley de la termodinámica, ¿qué puede concluir acerca del cambio
de entropía del ambiente? a) Debe ser 8 J/K o menor.
b) Debe ser igual a 8 J/K. c) Debe estar entre 8 J/K y 0.
d) Debe ser 0. e) Debe estar entre 0 y 8 J/K. f) Debe ser igual
a 8 J/K. g) Debe ser 8 J/K o más. h) Se necesitaría conocer
la naturaleza del proceso para llegar a una conclusión. i) Es imposible
que el sistema tenga un cambio de entropía negativo.
14. O Una muestra de un gas monoatómico ideal está contenido
en un cilindro con un pistón. Su estado se representa mediante
el punto en el diagrama PV que se muestra en la figura P22.14.
Las flechas de la A a la H representan procesos isotérmicos,
isobáricos, isovolumétricos y adiabáticos que experimenta la
muestra. En cada compresión y expansión el volumen cambia
en un factor de 2. a) Clasifique estos procesos de acuerdo
con el trabajo W máq P dV realizado por el gas desde el
máximo valor positivo hasta el valor negativo de mayor magnitud.
En su clasificación, muestre cualquier caso de igualdad.
b) Clasifique los mismos procesos de acuerdo con el cambio
en energía interna del gas, desde el mayor valor positivo hasta
el valor negativo de mayor magnitud. c) Clasifique los mismos
procesos de acuerdo con la energía transferida a la muestra
por calor.
Cortesía de PASCO Scientific Company
Cortesía de PASCO Scientific Company
P
B
A
C
D
E
Figura P22.8
9. O Suponga que usted llega a casa, un pequeño departamento
en un edificio bien aislado cálido en una tarde de verano. La
H
F
G
Figura P22.14
V