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1 UNIVERSIDAD DE PIURA FACULTAD DE INGENIERÍA CURSO: FÍSICA GENERAL II Examen Parcial Fecha: Jueves, 03 de Mayo de 2012. Sin libros y sin apuntes. NOMBRE: _____________________________ HORA: 2:00 a 5:00 pm INSTRUCCIONES: TRABAJE CON ORDEN Y LIMPIEZA. TEORÍA (15 minutos) Responder Verdadero (V) o Falso (F) según corresponda: NOTA: pregunta bien contestada +0.25 / pregunta mal contestada -0.125 ( F ) 1. Cuando un objeto sufre una expansión térmica, todos los agujeros que contiene se contraen. ( F ) 2. La energía interna de un gas real depende sólo de su temperatura, no de su presión ni de su volumen. ( V ) 3. A una determinada presión, la temperatura a la que una sustancia pura cambia de fase se llama temperatura de saturación. ( V ) 4. El calor es conducido en la dirección de la temperatura decreciente y el gradiente de temperatura se vuelve negativo cuando esta última decrece al crecer "x" (siendo "x" el eje horizontal). ( F ) 5. En la cocina, temperaturas de ebullición más bajas significan tiempos de cocción más cortos y ahorros de energía ( V ) 6. En el diagrama P-, aparecen líneas ocultas para una sustancia que se expande al congelarse. ( V ) 7. Las unidades de la conductividad térmica en el SI son W/m.K ( F ) 8. La determinación de las dos constantes que aparecen en la ecuación de Van der Waals se basan en la observación de que la isócora crítica en un diagrama P-v tiene un punto de inflexión horizontal en el punto crítico. ( V ) 9. Se puede demostrar que Cp=Cv+Ru ( F ) 10. Se puede demostrar que el coeficiente de expansión lineal es igual a 3 veces el coeficiente de expansión volumétrica. ( V ) 11. El coeficiente de transferencia de calor combinado toma en cuenta los efectos de la convección y radiación y sus unidades son (W/m 2 K) ( F ) 12. El punto triple aparece como una línea en el diagrama Presión vs Temperatura. ( F ) 13. A un Sistema cerrado también se le conoce como volumen de control. ( F ) 14. Un termómetro realmente mide su propia temperatura, pero cuando está en equilibrio térmico con otro cuerpo, las temperaturas deben ser parecidas. 2 ( V ) 15. La energía se reconoce como transferencia de calor sólo en cuando cruza la frontera del sistema. ( F ) 16. El punto crítico del agua es una de temperatura y presión en la que pueden coexistir agua sólida (hielo), agua líquida y vapor de agua ( F ) 17. Una isoterma en cualquier punto está siempre más empinada que curva adiabática e internamente reversible que pasa por el mismo punto ( V ) 18. El agua, en el intervalo de temperaturas de 0 °C a 4 °C, se contrae al aumentar la temperatura. ( F ) 19. El trabajo realizado por el sistema depende sólo de los estados inicial y final, y no depende de los estados intermedios, es decir, de la trayectoria ( F ) 20. La sublimación inversa es el cambio de fase de sólido a gas. ( F ) 21. El calor es la forma de energía que se puede transferir de un sistema a otro como resultado del equilibrio térmico ( F ) 22. El trabajo eléctrico se halla multiplicando el voltaje por la corriente. ( V ) 23. En un proceso isocórico U = Q ( F ) 24. La ecuación de gas ideal, es la única ecuación de estado que existe. ( V ) 25. Para un sistema cerrado que experimenta un ciclo, los estados inicial y final son idénticos, por lo tanto, ΔEsistema = E2 - E1 = 0. ( F ) 26. Aún si no hay presencia de un medio el calor se puede transferir en tres modos diferentes: conducción, convección y radiación. ( F ) 27. Hay razones termodinámicas para ser tan reacio en sustituir calor por energía: el primero requiere menos tiempo y esfuerzo que el segundo para decirlo, escribirlo y entenderlo. ( F ) 28. La conducción de calor a través de una capa plana es inversamente proporcional a la diferencia de temperatura a través de ésta y al área de transferencia de calor, pero proporcional al espesor de esa capa. ( V ) 29. El trabajo es la transferencia de energía relacionada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia ( V ) 30. Los gases se comportan de manera diferente a determinadas temperatura y presión, pero se comportan de manera muy parecida a temperaturas y presiones normalizada respecto a sus temperaturas y presiones críticas. ( F ) 31. Las superficies de un volumen de control se conocen como fronteras de control. ( F ) 32. Considere un dispositivo de cilindro-émbolo que contiene agua líquida a 20°C y 1 atm de presión. En estas condiciones el agua existe en fase líquida y se denomina líquido comprimido o líquido sub-enfriado, lo cual significa que está a punto de evaporarse 3 UNIVERSIDAD DE PIURA FACULTAD DE INGENIERÍA CURSO: FÍSICA GENERAL II Examen Parcial Fecha: Jueves, 03 de Mayo de 2012. Sin libros, sin apuntes, SÓLO formularios, tablas y calculadora simple NOMBRE: _____________________________ HORA: 2:00 a 5:00 pm INSTRUCCIONES: TRABAJE CON ORDEN Y LIMPIEZA. EJERCICIOS (2 horas 45 minutos) 1. De acuerdo con el modelo de Einstain de un sólido cristalino, la energía interna de un mol viene dada por: 3 1E A E T T N kT U e Donde TE es una temperatura característica denominada temperatura de Einstain y T es la temperatura del sólido en Kelvins, NA es el número de Avogadro y k es la constante de Boltzmann. Utilizar la expresión dada para para demostrar que la capacidad calórica molar a volumen constante viene dada por (2 puntos): 2 2 3 1 E E T T E v u T T T e C R T e SOLUCIÓN Se sabe que 1 v v dU dU nC dT C n dT Reemplazando 3 31 1 1 1E E A E A E v T T T T N kT N kTd d C n dT n dTe e Ahora: A uN k R y para se está trabajando para n=1. Reemplazando 2 2 2 1 1 1 3 3 1 3 1 1 1 E E E E E T T T T E u E u E u ET T T T T T Td d R T R T e R T e dT dT Te e e 2 2 3 1 E E T T E u E T T T e R T T e 4 2. A pesar de los globos han existido desde 1783, cuando el primer globo sobre voló los cielos en Francia, un gran avance se produjo en 1960 con el diseño del globo de aire caliente alimentado por gas propano Los globos varían desde aproximadamente 15 a 25 m de diámetro.El aire en la cavidad globo se calienta mediante un quemador de propano localizado en la parte superior de la jaula de pasajeros. Las llamas del quemador que chocan en el globlo calientan el aire de la cavidad, elevando la temperatura del aire en la parte superior del globo desde 65 °C a más de 120 °C. La temperatura del aire se mantiene en los niveles deseados activando periódicamente el quemador de propano. La fuerza de empuje que eleva el balón hacia arriba es proporcional a la densidad del aire más frío fuera del globo y el volumen del globo, y se puede expresar como: aire frio globoFB g V Considere un globo de 20 m de diámetro globo de aire caliente que, junto con su jaula, tiene una masa de 80 kg vacío. Este globo está colgando en el aire en un lugar donde la presión atmosférica y la temperatura son 90 kPa y 15 ° C, respectivamente, mientras que transporta a tres personas de 65 kg. Determinar el promedio de temperatura del aire en el globo (3 puntos) Propiedades: La constante del aire es R = 0.287 kPa.m 3 /kg.K. Análisis: La fuerza de empuje que actúa sobre el globo es: 3 3 3 globo 3 cool air 3 cool air balloon 3 2 3 2 4 / 3 4 (10 m) /3 4188.79 m 90 kPa 1.089 kg/m (0.287 kPa m /kg K)(288.15 K) 1 N (1.089 kg/m )(9.8 m/s )(4188.79 m ) 44703.6 N 1 kg m/s B V r P RT F gV Haciendo un balance de fuerzas se obtiene. aire jaula personas airecaliente jaula personas( ) B calienteFW W W m m m g Substituyendo 2airecaliente 2 1 N 44703.6 N ( 80 kg 65 3 kg)(9.8 m/s ) 1 kg m/s m Con lo que se obtiene aire 4286.59 kgcalientem Por lo tanto, la temperatura promedio del aire dentro del globo es: 90 4188.79 306.39 4286,59 0.287 PV T T K mR 5 3. Una casa “solar” está perdiendo calor hacia el exterior a una tasa promedio de 50000 kJ/h se mantiene a 22 °C en todo momento durante una noche de invierno durante 10 h. La casa se calienta mediante el uso de 50 contenedores de vidrio que contienen cada uno 20 litros de agua que se calientan a 80 °C durante el día mediante la absorción de la energía solar. Un termostato controlado 15 kW de back-up de resistencia eléctrica se enciende siempre que sea necesario para mantener la casa a 22 ° C. a) ¿Cuánto tiempo el sistema de calefacción eléctrica ejecute esa noche? (1.5 puntos) b) ¿Cuánto tiempo el calentador eléctrico ejecute esa noche si la casa de incorporarse sin calefacción solar? (1.5 puntos) Densidad del agua 1kg/litros y cp,agua=4.18 kJ/kg.K Solución Apartado a) La masa total de agua es 1 50 20 1000 kg magua V litros kg litro Realizando el balance de energía 2 1( ) entrada salida sistema electrico salida agua electrico salida p E E E W Q U W Q mc T T Substituyendo 15 50000 10 1000 4.18 22 80 17170.67 4.77 kJ kJ t h s h t s t h Apartado b) 0 0 entrada salida sistema electrico salida electrico salida E E E W Q W Q Substituyendo 15 50000 10 33333.33 9.26 kJ kJ t h s h t t h 22C 50,000 kJ/h water 80C 6 4. Un gas contenido en arreglo cilindro-émbolo se muestra en la figura. Inicialmente, la cara del pistón está en x=0 (ver figura) y el resorte no ejerce fuerza sobre el pistón. Como resultado del calor transferido, el gas se expande, elevando el pistón hasta que choca con los topes. En este punto, la cara del pistón se encuentra en x=0.06 m, y la transferencia de calor cesa. La fuerza ejercida por el resorte sobre el pistón mientras el gas se expande varía linealmente con x según: resorteF kx donde k=9000 N / m. La fricción entre el pistón y la pared del cilindro puede ser despreciada. La aceleración de la gravedad es g=9,81 m/s 2 . Información adicional se da en la figura. a) ¿Cuál es la presión inicial del gas, en kPa? (1 punto) b) Determinar el trabajo realizado por el gas sobre el pistón, en [J]. (2 puntos) c) Si las energías internas específicas del gas a la inicial y estados finales son u1=210 kJ/kg y u2=335 kJ/kg, respectivamente, calcular la transferencia de calor, en J. (2 puntos) Solución a) Inicialmente el resorte no ejerce fuerza sobre el pistón, el cual está en reposo. Así, tomando en cuenta que no hay fricción entre el pistón y el cilindro, la fuerza ejercida por el gas sobre el fondo del cilindro es igual a: 0 10 9.8 100000 0.0078 112.56 y gas pistón pistón atm pistón pistón gas atm pistón gas gas F P A m g P A m g P P A P Pa P kPa 7 b) Cuando el pistón se mueve de x=0 m a x=0.06m, la fuerza del resorte actua. Entonces 0y gas pistón pistón atm pistón resorte gas pistón pistón atm pistón F P A m g P A F P A m g P A kx El trabajo hecho por el gas sobre el pistón se calcula de la siguiente manera: 2 2 1 1 0.06 2 0 2 5 2 9000 0.06 10 9.8 10 0.0078 0.06 2 68.88 x x gas pistón pistón atm pistón x x pistón atm pistón W P A dx m g P A kx dx kx W m g P A x W W J c) Haciendo el balance de Energía 2 1 2 1 0.5 335000 210000 68.88 62568.88 gas gas U Q W m u u Q W Q m u u W Q Q J Si el apartado anterior está mal, el puntaje en este apartado es cero (no hay opción a reclamo)
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