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Problemas de introducción a la termodinámica (GIE)

De Laplace

Contenido

1 Conversión entre escalas de temperaturas

Exprese las siguientes temperaturas en la escala Celsius, absoluta y Fahrenheit:

  1. Cero absoluto
  2. 0°F
  3. 100°F
  4. Punto triple del agua
  5. Punto de fusión del azufre a 1 atm
  6. Punto de sublimación del hielo seco a 1 atm

2 Dilatación de una esfera metálica

Se tiene una bola hueca de hierro que a 20°C tiene un radio interior de 12.0 mm y un radio exterior de 15.0 mm, siendo la densidad del hierro a esta temperatura 7874 kg/m³ y su coeficiente de dilatación lineal 11.8×10−6K−1.

Se eleva la temperatura de la bola a 50°C. Determine:

  1. Los nuevos radios interior y exterior de la bola.
  2. La densidad del hierro a 50°C.
  3. El incremento en el volumen ocupado por el hierro.
  4. Si la bola de hierro está llena de aire que inicialmente tiene una presión de 100 kPa, ¿cuál será la presión del gas cuando la esfera está a 50°C?

3 Variación de la densidad del agua

La densidad del agua a 0°C vale 999.8395 kg/m³ a 4°C vale 999.9720 kg/m³ y a 10°C vale 999.7026 kg/m\³. Determine aproximadamente el coeficiente de dilatación volumétrico a estas tres temperaturas.

4 Análisis de termómetro de mercurio

Se construye un termómetro empleando un capilar de 0.4 mm de diámetro en el que hay una columna de mercurio que a 0°C mide 2.0 cm. Suponiendo que el coeficiente de dilatación lineal vale \alpha=61\,\mathrm{K}^{-1} en el intervalo (0°C,100°C) y despreciando la dilatación del vidrio, ¿cuánto mediría la columna a 100°C si el mercurio fuera sólido? ¿Cu´anto mide, teniendo en cuenta que es líquido? ¿Es esto suficiente para hacerlo legible?

Suponga ahora que en el extremo inferior del capilar hay una pequeña esfera que contiene 0.5 cm³ de mercurio, ¿cuánto medirá en ese caso la columna de mercurio a 100°C?

5 Compresión isoterma de un gas

Un cilindro vertical de 10.0 cm de diámetro contiene hidrógeno a 25°C y 100 kPa de presión, que también es la temperatura y presión exterior. La tapa del cilindro puede deslizarse sin rozamiento e inicialmente se encuentra a 10.0 cm de altura. Se coloca sobre la tapa una pesa de 2.0 kg. Halle la altura de la tapa una vez que se alcanza de nuevo el equilibrio térmico con el exterior. ¿A qué temperatura habrá que calentar el gas para que la tapa vuelva a su posición inicial, con el peso todavía encima?

6 Variación de la presión de los neumáticos

Un automovilista llena los neumáticos de su coche a una presión manométrica de 2.4 bar un día de enero en que la tempera exterior es de 5°C. Si no los toca en seis meses y no hay fugas, ¿cuál será la presión manométrica un día de julio a 40°C? ¿Qué proporción de aire debe extraer de cada neumático para devolver la presión a 2.4 bar? Si tras reducir la presión se despreocupa otros seis meses, ¿cuál será la presión manométrica cuando vuelva a hacer 5°C? Desprecie la dilatación de los neumáticos.

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