Los Procesos de Producción.

Su representación. Diagramas de flujo.

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Evaluación Principios de la termodinámica para sistemas cerrados

E. E. M. N º 428 “L. R. de Barreiro” Evaluación Procesos Productivos Fecha: 21/ 10/ 08

Alumno: Curso/Div.: 4º PBS

1) La Termodinámica estudia …las relaciones entre el calor, el trabajo y diversas formas de energía.… .

2) El estado de un sistema material se puede caracterizar mediante magnitudes como: Temperatura…, Volumen…, …Presión…, …composición, si sufre una …transformación…, alguna o varias de dichas variables se … modifican….. .

3) Un recipiente rígido y hermético contiene en su interior un gas ideal. Al colocarlo en un ambiente frío cede 965 J. a)¿Cuánto vale el trabajo realizado por el gas? b)¿Cuál es el valor de la variación de energía interna? c) ¿Cómo es la Temperatura final respecto de la inicial? Justifica.

a) Si el recipiente es hermético quiere decir que el sistema es cerrado, y si es rígido el V es contante, no varía, entonces el W = 0;

b) Entonces el 1º P de la Tca queda: Q = DU  ; como el sistema cede calor Q =   – 965 J;Q es menor que 0. Y – 965 J = DU .

c) Por tanto se ve que se produce una disminución de la energía interna, ya que su variación da un valor < 0; por lo cual la Uf < Ui; como se trata de un gas ideal la U = f (T), entonces

la Temperatura Final < Temperatura Inicial

4) La energía interna (U) es: …la suma de las energías cinético molecular y potencial química. Esta última es la suma de la energía que mantiene unidos a los átomos para formar una molécula y las energías de las fuerzas intermoleculares o entre las partículas … La U depende del …estado …… del..sistema…, por eso se la llama ……Función …de……Estado.

5) a) ¿Qué es un transformación isotérmica? b) Si un gas perfecto encerrado en un recipiente recibe calor desde el exterior sin aumentar su temperatura, ¿Qué efecto produce este hecho sobre el sistema? Justifica con el 1º principio.

a) Una transformación isotérmica es una transformación en la que no cambia la temperatura del sistema, es a T = cte

b) Si T = cte, entonces DU = 0; la expresión matemática del 1º P de la Tca queda: Q – W = 0. Por tanto Q = W.  Si el sistema recibe Q desde el exterior este tiene signo positivo, por lo tanto el W > 0 ( ya que son iguales); en términos de los signos, si el trabajo es positivo significa que el sistema produjo trabajo, entonces se expandió, es decir si el sistema recibe calor sin aumentar la T mueve un émbolo contra la presión exterior y el V del sistema aumenta, o sea convierte el calor recibido en trabajo producido.

6) a) De los siguientes gráficos P– V, ¿Cuál representa un ciclo termodinámico? ¿Por qué? b) ¿Qué cambios experimenta la U total del sistema? Justifica c) Describe cada una de las transformaciones que sufre el gas que cumple dicho ciclo y qué forma toma el 1º Pcipio de la Termodinámica en cada etapa.

a) El gráfico que representa un ciclo termodinámico es el 2 ya que el sistema parte de un estado inicial y luego de una serie de transformaciones alcanza nuevamente el estado de P; V y T del que partió (estado inicial = estado final). B) La U total del sistema no cambió entre el Estado final e inicial, por tanto la DU = 0, ya que la U es función de estado y los estados termodinámicos final e inicial son coincidentes, Uf = Ui, o sea no sufre cambios.

c) La primera transformación es la A-B. Como está sobre la línea de Temperatura constante, la isoterma, entonces las temperaturas inicial y final serán iguales, TA= TB. Entonces, por tratarse de un gas, la U es función directa de la temperatura absoluta, por lo tanto UA = UB, ∆U= 0. Así, la expresión del 1º Principio queda:

Q = W.

La cantidad de calor que el sistema absorbe se convierte íntegramente en trabajo.

 

La transformación B-C ocurre a P = constante, es decir que la PB = PC. De modo que la expresión del 1º Principio queda: Q – W = ∆U;

Y el trabajo se puede calcular como W = P . ∆V

                                                        W = P . (VC – VB)

Como se observa en el gráfico, al haber un incremento de la temperatura absoluta, significa que la U también aumentó (∆U es mayor que 0), por lo que se deduce que el trabajo realizado por el gas ( realiza trabajo sobre el exterior, sale trabajo del sistema, porque se ve que el V entre B y C aumenta, hay expansión) es menor que el calor que entra al sistema, por lo que parte de este se convierte en energía interna, con lo cual esta se incrementa.

 

La transformación C-A sucede a V = constante, es decir que aquí el W realizado por el gas es W = 0, con lo cual la expresión del 1º Principio queda:        Q = ∆U

Por lo que todo el calor que sale del sistema, hace disminuir la energía interna del mismo ( ver que la temperatura absoluta disminuye, al pasar de una isoterma a otra), es decir que ∆U es menor que 0, UA es menor UC

 

 

 

7) Una máquina térmica es ……una máquina que convierte energía química de los combustibles o térmica del vapor, en energía mecánica, con un costo consiguiente de energía que se pierde.…. . Un motor de combustión interna puede ser el de un …automóvil… . El ciclo de estos está compuesto por 4 …etapas. Ellas son: ……admisión, compresión, explosión y expansión con salida de gases.… . El sistema gaseoso esta constituido por:………nafta o gas natural y aire… . El calor que ingresa al sistema proviene de la Fuente …caliente. Y lo provee la … combustión…..; El sistema cede calor a la.. atmósfera… que es la fuente ….fría…….

Se tiene un recipiente hermético (un balón de vidrio como el del dibujo) provisto de un termómetro y un medidor de presión (manómetro). En su interior hay una masa gaseosa ideal. Al mismo se lo calienta con un mechero, a) ¿Qué se observa en el termómetro? b) ¿Qué indica el medidor de presión? c) Este sistema, ¿realizará trabajo? ¿Por qué? d) ¿Cómo será la U_f respecto de la Ui? ¿Por qué?

a) En el termómetro se observa un aumento de la columna de mercurio, es decir se registra un incremento de la temperatura. b) El medidor de presión indica un aumento de la Presión. c) Este sistema no realiza trabajo porque al ser de vidrio no se producirá aumento significativo del V, se puede despreciar, por lo tanto al no haber dilatación el trabajo es 0; W = 0. d) Al producirse aumento de la temperatura, como el sistema está formado por un gas ideal, la U = f(T), si Tf > Ti; significa que también aumenta la U; Uf > Ui

Nota: la justificación de los inc a y b se obtiene de aplicar el 1º P de la Tca y el comportamiento de los gases perfectos

9) Recuerda que el trabajo se puede conocer a partir de determinar el área debajo de la curva en un diagrama P-V. Un gas sufre una transformación desde A a B por tres caminos diferentes, a) Indica cuál de las transformaciones produce mayor cantidad de trabajo. Justifica.

a) El gráfico de la transformación III es que encierra la mayor área entre la curva,  la abscisa y las ordenadas de volumen inicial y final. Por tanto es esta transformación la que produce mayor cantidad de trabajo.

Una máquina térmica absorbe 15 kcal de una caldera y cede 8 kcal al medio exterior en cada ciclo. Representa la máquina en forma esquemática y calcula el trabajo realizado por la misma en cada ciclo.

Como se trata de un ciclo termodinámico, la Variación de Energía Interna es:   DU = 0

El 1º P de la Tca queda: Q = W (Ä)

Q = sumatoria Qi; entonces Q = Qfc + Q ff

Q = 15 kcal + ( – 8 kcal)

Q= 7 kcal; entonces de (Ä) W = 7 kcal