03 Ejercicios de Entropía y Segunda Ley de La Termodinámica

FÍSICA 2 (MA256) Semana 10 – Sesión 1 Tome en cuenta la siguiente información para poder resolver cada uno de los ejercicios propuestos.

S  S2  S1  

2

1

dQrev T

R  8,31

J mol K

Suniv  Ssis  Sent  0

Q  mce T

Suniv  Ssis  Sent  0

Q  mL

P. Isotérmico

S 

P. Isobárico

P. Isocórico

 Tf    Ti 

Q T

S  nc p Ln 

 Tf    Ti 

S  ncv Ln 

J , kg K J ; c agua = 4,19 ×10 3 kg K J L = 3,30×10 5 K P. Adiabático c hielo = 2, 20×10 3

S  0 S  cte.

1. Calcule la variación de entropía cuando 0,300 kg de plomo se funden a 327 ºC. El calor de fusión del plomo es 24,5 kJ/kg. Respuesta: 12,3

J K

2. Calcule la variación de entropía cuando 250 g de agua se calientan desde 20,0 ºC hasta 80,0 ºC. Respuesta: 195

J K

3. Calcule la variación de entropía cuando 1,00 mol de gas ideal monoatómico se calienta cuasiestáticamente a volumen constante de 300 K a 400 K. Respuesta: 3, 59

J K

1

4. Si fluyen 3 200 J de calor de una fuente de calor a 500 K a otra fuente de 300 K, a través de una varilla de metal conductora, calcule la variación de entropía de: a) la fuente caliente, b) la fuente fría, c) del metal, d) total. Respuesta: 6, 40

J J J J ; 0 , 10,7 ; 4, 3 K K K K

5. Si se mezclan 200 g de agua a 20,0 ºC con 100 g de agua a 75,0 ºC, calcule la temperatura final de equilibrio de la mezcla y la variación de entropía del sistema. Respuesta: 326 K, 7, 34

J K

6. Un bloque de hielo de 6,00 kg a 0,0 ºC se deja caer en un lago a 27,0 ºC. Justamente después de que se haya fundido todo el hielo y justamente antes que el agua del hielo se haya calentado, calcule la variación de la entropía del hielo, del lago, total. Respuesta: 6,70  103

7, 36  103

J ; K

J J ; 660 K K

7. Se tiene 12,0 l de un gas diatómico a 27,0 °C y 1,50 atm de presión. Si se comprime adiabáticamente hasta un volumen de 3,00 l, luego se expande a presión constante hasta un volumen final de 12,0 l. Determine el cambio de temperatura en la compresión

2

adiabática y el cambio de entropía en la expansión isobárica. Respuesta: a) 522 K ; b) 21,1

J K

8. Se comprimen lenta y adiabáticamente 2,50 moles de O2 que se encuentran inicialmente a 27,0 ºC y a 1,50 atm hasta que su temperatura se eleva a 47,0 ºC. Entonces se expande lenta e isotérmicamente hasta que su presión vuelve a ser 1,50 atm. a) Dibuje el diagrama PV y b) determine el cambio de entropía en cada etapa. Respuesta: b) 4,69

J K

3

9. 0,012 0 kg de hielo que está inicialmente a la temperatura de -15,0 °C se deja caer en un recipiente aislado, de capacidad calorífica despreciable, que contiene una masa de 0,0560 kg de agua a la temperatura de 23,0 °C. El sistema llega al equilibrio a la temperatura Te. Calcule el cambio total de entropía del sistema y del entorno. Respuesta: a) cero b) 0,800 J/K

10. Un mol de gas ideal monoatómico a la temperatura de 399 K y 3,95 atm de presión, se encuentra encerrado en un cilindro de paredes adiabáticas provisto de un pistón no conductor del calor. Si se expansionarse bruscamente contra una presión exterior de 0,987 atm. Determine lo siguiente: a) La temperatura final, b) El volumen final, c) La variación de entropía del gas. Respuesta: a) 279 K ; b) 23,2 L ;c) 4,10

J K

4

11. Imagine que, a fin de calentar una taza con agua de 250 cm3 para hacer café, coloca la taza sobre un calentador eléctrico. Mientras la temperatura del agua aumenta de 20,0 °C a 65,0 °C, la temperatura del calentador permanece constante en 120 °C. Calcule el cambio de entropía de: a) El agua, b) el calentador, c) el sistema agua-calentador, d) ¿Este proceso es reversible o irreversible? Respuesta: 150

J J J ; -120 ; 30,0 K K K

12. 1,20 moles de un gas ideal monoatómico ocupa 0,800 L a la presión de 1,20 x105 Pa. Se expande isotérmicamente hasta que su volumen se duplica, luego a partir de este punto se comprime isobáricamente hasta que alcance su volumen original. Dibuje el diagrama PV y halle el cambio de entropía en cada etapa. Respuesta: 6,91

J J ; -17,3 K K

5