Guia de Ejercicios - Seminario 1

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Fisicoquímica 
Facultad de Farmacia y Bioquímica, UBA 2021 
 
SEMINARIO 1 
 
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA 
 
Temario 
 
Definiciones: sistemas, límites, alrededores, universo. Propiedades intensivas y extensivas. Funciones 
de estado. Concepto de trabajo, formas de trabajo: expansión, eléctrico, químico, etc. Concepto de 
calor. Primer Principio de la Termodinámica. Principio de conservación de la energía en sistemas 
cerrados. Entalpía. Cálculo de U, H, q y w para gases ideales a presión, temperatura o volumen 
constantes, o en condiciones adiabáticas. 
 
 
Bibliografía 
 
✓ Química Física, P. Atkins, J. de Paula, 8ª Edición, capítulo 2 
✓ Química Física, P. Atkins, 6ª Edición, capítulos 2 y 3 
✓ Fisicoquímica Básica, W. J. Moore, capítulos 1 y 6 
 
 
Ejercicios 
 
 
1. Calcule: 
 a) El trabajo eléctrico (en J) realizado por una batería de 12 V que descarga 0,1 A por hora 
 b) El trabajo hecho sobre una masa de 80 kg al elevarla hasta una altura de 310 m 
 c) El trabajo realizado por una masa de 400 g que cae desde una altura de 2,75 m 
 d) El trabajo mínimo que se requiere para dividir 100 g de mercurio en gotas esféricas de 100 
nm de diámetro. La tensión superficial () del Hg líquido a 273 K es 4,7 N m-1 y el área final 
es 443 m2. Considere despreciable el área inicial. 
 
 
2. a) Calcule el cambio de volumen (V) de un gas ideal que evoluciona irreversiblemente contra la 
Pext = 101 kPa (1 atm), para que el trabajo realizado sea igual al hecho sobre un mol de un gas ideal a 
300 K cuando evoluciona en forma isotérmica y reversible de 100 a 400 kPa. 
b) Compare el trabajo realizado con el calor intercambiado en la compresión isotérmica en condiciones 
de reversibilidad. 
 
 
3. Una muestra de dos moles de helio se expande isotérmicamente a 22C desde 22,8 litros a 
31,7 litros de las siguientes formas: 
a) reversiblemente, 
b) irreversiblemente (contra una presión externa igual a la presión final del gas) y 
c) libremente, con una presión externa nula. Calcule el w para cada proceso. 
 
 
4. Un mol de gas ideal monoatómico se expande, según se muestra en el gráfico de la página siguiente, 
desde un volumen de 22,4 litros hasta 44,8 litros de las siguientes formas: i) isotérmicamente (proceso 
AB) y ii) adiabáticamente (proceso AC). Calcule: 
a) el w para cada proceso y 
b) la presión final que alcanza en cada caso. Compare los valores y justifique la diferencia. 
 
 
 
1 
 
 
 
 
5. Considere el cambio sufrido por un mol de gas ideal monoatómico desde el estado A, según las 
etapas AB, BC, CD y DA indicadas en el siguiente diagrama (no a escala): 
 
 
Calcule U, H, q y w para cada etapa y para el proceso total. 
 
 
6. Un gas ideal monoatómico se comprime isotérmicamente a 313 K, desde un estado inicial A (VA = 
10 litros) hasta un estado B; luego se lo lleva a un estado C por un proceso isocórico (VC = 0,5 litros; 
PC = 1 atm) y luego se lo expande isobáricamente hasta el estado inicial A. Calcule: 
a) el número de moles existentes en el sistema, 
b) q, w, U y H para las etapas AB, BC, CA y para el ciclo ABCA. 
 
 
 
 
Ejercicios adicionales 
 
 
1. Indique si los siguientes sistemas son abiertos, cerrados o aislados: 
 a) Gas que se expande en un cilindro provisto de un émbolo 
 b) Máquina térmica (locomotora a vapor) 
 c) Cápsula espacial con astronauta, en órbita 
 d) Termo lleno de agua caliente 
 e) Hombre 
 f) Huevo fertilizado incubado por una gallina 
 
 
A
B
44,822,4
P
re
si
ó
n
 
 (
k
P
a)
Volumen (l)
TC = 169 K
101,32
C
A
B
44,822,4
P
re
si
ó
n
 
 (
k
P
a)
Volumen (l)
TC = 169 K
101,32
CC
 
A D
C
13724,6
Volumen (l)
P
re
si
ó
n
 
(k
P
a)
101
202
600 K
18
49,2
B
300 K
3341 K
A D
C
13724,6
Volumen (l)
P
re
si
ó
n
 
(k
P
a)
101
202
600 K
18
49,2
B
300 K
3341 K
A D
C
13724,6
Volumen (l)
P
re
si
ó
n
 
(k
P
a)
101
202
600 K
18
49,2
B
300 K
3341 K
 
 
2 
 
 
 
2. Considere los dos caminos que se indican para ir de A a C en el siguiente diagrama: 
 
 
a) Calcule q, w, U y H para el camino ABC para un mol de gas ideal. Suponga que el proceso es 
reversible; 
b) calcule q, w, U y H para el camino ADC para un mol de gas ideal (suponga que el proceso es 
reversible); 
c) compare los valores absolutos de q, w, U y H, para los dos caminos. ¿Es posible justificar estos 
resultados con la primera ley de la termodinámica? Justifique. 
 
 
 
3. Un mol de gas ideal monoatómico sufre una serie de procesos según el siguiente esquema (no a 
escala): 
 
 
a) Calcule U, H, q y w para el proceso AC por el camino ABC y AC. 
b) Esquematice el mismo ciclo en ejes de coordenadas P vs T y V vs T. 
 
 
 
4. Un mol de gas ideal monoatómico inicialmente en el estado A, con presión 101 kPa y temperatura 
de 600 K es sometido a los siguientes procesos reversibles: a) expansión isotérmica desde A hasta B 
siendo PB = 10,1 kPa; b) expansión adiabática desde B hasta C siendo TC = 300 K y la PC 1,7 kPa; c) 
compresión isotérmica hasta D, siendo PD = PB; d) compresión adiabática desde D hasta el estado 
inicial A. Calcule: U, H, q y w, para cada etapa y para el proceso total. 
 
 
 
 
 
 
D C
B
T2T1
Temperatura
V
o
lu
m
en
A
V1
V2
D C
B
T2T1
Temperatura
V
o
lu
m
en
A
V1
V2
A C
B
44,814,9
Volumen (l)
P
re
si
ó
n
 
(k
P
a)
50,5
152
273 K
A C
B
44,814,9
Volumen (l)
P
re
si
ó
n
 
(k
P
a)
50,5
152
273 K
 
 
3 
 
 
Respuestas 
 
 
Ejercicios 
 
 
1 a) - 4,32 kJ b) 243 kJ c) - 10,8 J d) 2,08 kJ 
 
2 a) – 34 litros b) q = – w 
 
3 a) - 1,62 kJ b) - 1,38 kJ c) 0 kJ 
 
4 a) wAB= - 1,57 kJ b) PB = 50,7 kPa 
wAC= - 1,30 kJ PC = 31,3 kPa 
 
5 
 
U 
(kJ) 
H 
(kJ) 
q 
(kJ) 
w 
(kJ) 
AB 0 0 3,46 - 3,46 
BC - 3,74 - 6,23 0 - 3,74 
CD 37,9 63,2 37,9 0 
DA - 34,2 - 56,9 - 56,9 22,8 
TOTAL 0 0 - 15,5 15,5 
 
6 a) 0,39 moles 
 
b) 
 
U 
(kJ) 
H 
(kJ) 
q 
(kJ) 
w 
(kJ) 
AB 0 0 -3,04 3,04 
BC - 1,45 - 2,41 -1,45 0 
CA 1,45 2,41 2,41 -0,96 
TOTAL 0 0 - 2,07 2,07 
 
 
Ejercicios adicionales 
 
 
2 a) w = -RT2 ln V2/V1 q = RT2ln V2/V1 + Cv (T2– T1) 
 U = Cv (T2– T1) H = Cp (T2– T1) 
 b) w = -RT1 ln V2/V1 q = RT1 ln V2/V1 + Cv (T2– T1) 
 U = Cv (T2– T1) H = Cp (T2– T1) 
 c) |qABC| > |qADC| |wABC| > |wADC| 
 UABC = UADC HABC = HADC 
3 
 U 
(kJ) 
H 
(kJ) 
q 
(kJ) 
w 
(kJ) 
ABC 6,91 11,5 9,40 -2,49 
AC 6,91 11,5 11,5 -4,59 
 
4 
 U 
(kJ) 
H 
(kJ) 
q 
(kJ) 
w 
(kJ) 
AB 0 0 11,5 - 11,5 
BC -3,74 -6,23 0 - 3,74 
CD 0 0 -4,44 4,44 
DA 3,74 6,23 0 3,74 
TOTAL 0 0 7,04 - 7,04