Biofísica 3 Termodinámica (20) OM 1. Calorimetría

 Se colocan en termos iguales la misma masa de tres líquidos A, B y C, a la misma temperatura inicial. Se los calienta mediante calentadores de inmersión. Se registra la cantidad de calor entregada y la temperatura que adquieren y con estos valores se confecciona un gráfico como el indicado. Para el rango de temperaturas de la experiencia, indique cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera:

  

 a) El líquido A es el de mayor calor específico

Verdadero

 

QA = m cA (T-To)

QB = m cB (T-To)

QC = m cC (T-To)

 

donde

QA, QB, QC = calor absorbido por los líquidos A, B, C

m = masa de los líquidos = iguales

cA, cB, cC = calor específico de los líquidos A, B, C

T = temperatura

To = temperatura inicial = 0ºC

 

Para un mismo T

QA > QB > QC à cA > cB > cC  

 

b) Los tres líquidos mantienen constante su calor específico.

Falso

 

cA y cC son constantes (pendiente de las rectas)

cB NO es constante

 

 c) Para producir la misma variación de temperatura, las tres masas requieren intercambiar la misma cantidad de calor.

Falso

 

Para un mismo T à QA > QB > QC

 

 d) Si los tres sistemas intercambian la misma cantidad de calor, el líquido A aumenta más su temperatura que los otros dos.

Falso

 

 

 

Si QA = QB = QC y cA > cB > Cc  à TA < TB < TC

 

e) El líquido B cambia de fase durante el proceso.

Falso

 

Cambio de fase en la curva Q vs T es una recta vertical (aumenta Q y no varía T)

 La curva Q(T) del líquido B nunca es vertical (No hay cambio de fase)

 

 f) El calor específico del líquido B disminuye con la temperatura

Falso

 

La curva Q(T) del líquido B es cóncava à aumenta la temperatura à aumenta el calor especifico

 

Biofísica 3 Termodinámica (20) 47. Segundo principio

Una bolsa de arena de 5 kg, originalmente en reposo, se deja caer desde una altura de 6 m hasta el piso, choca contra él y se detiene. La bolsa, el piso y la atmósfera están inicialmente a 27 ºC. En este proceso:

a)     ¿Se conserva la energía del universo? Explique

 

La energía del universo se conserva.

 

∆Ep = ∆Ub + ∆Um

 

donde

∆Ep = variación de la energía potencial gravitatoria

∆Ub = variación de la energía interna de la bolsa

∆Um = variación de la energía interna del medio

 

La energía no se destruye (no se puede destruir) se transforma. Se transforma de energía potencial (a 6 m de altura) a energía calórica (cuando choca contra el piso)

 

b)    ¿Se mantiene constante la entropía del universo? Explique.

 

El proceso es irreversible à entropía del universo aumenta

c)     ¿Se podría hacer descender la bolsa de arena en forma reversible?, ¿cómo?

 

NO.

Se podría hacer descender la bolsa atada a una soga, que pasa por una polea. En el otro extremo de la soga hay un cuerpo de 5 kg. La bolsa va a descender en un estado de equilibrio permanente y en cualquier momento se puede volver a subir la bolsa (la reversibilidad).

Este “aparato” minimiza el aumento de entropía en la ida y en la vuelta, poco va a aumentar.

d)    Suponiendo despreciable la deformación de la bolsa y tratando al piso y a la bolsa como fuente térmica infinita, estime la variación de entropía del universo.

 

 ΔSU = ΔSb + ΔSM

 

Donde

ΔSU = variación de entropía del universo la arena

ΔSb = variación de la entropía de la bolsa = 0

ΔSM = variación de la entropía del medio = Q / T

Q = calor cedido por la bolsa al caer = ∆Ep

∆Ep = variación de la energía potencial = m g h

m = masa de la bolsa = 5 kg

g = aceleración de la gravedad =10 m/s²

h = altura = 6 m

T = temperatura del ambiente = 27ºC + 273 = 300 K

 

Reemplazando

ΔSU = 0 + (5 kg 10 m/s² 6 m) / 300 K =  1 J/ K

 

 

 

Biofísica 3 Termodinámica (20) 46. Segundo principio

Para el ciclo descrito en el ejercicio 38 indique, en el cuadro adjunto, sin efectuar cálculos, el signo de la variación de entropía del gas, del medio exterior y del universo para cada evolución y para el ciclo completo.

 

 

	ab	bc	cd	da	ciclo
ΔSG
ΔSM
ΔSU

Ejercicio 38) Un mol de gas ideal evoluciona cumpliendo el ciclo de la figura, en sentido abcda.

 

 

Tabla de ejercicio 38

 

	ab	bc	cd	da	ciclo
Q	(–)	(+)	(+)	(–)	(+)
L	(–)	(+)	(+)	(–)	(+)
ΔU	0	(+)	0	(–)	0

 

 

 Variación de entropía del gas (ΔSG)

 

Procesos ab y cd (isotérmico)

 ΔSG = QG / TG

 

donde

ΔSG = variación de la entropía del gas

QG = calor entregado/ recibido por el gas (ver signo de Q cuadro del ejercicio 38)

TG = temperatura (T > 0)

 

Reemplazando

ΔSG =  signo del calor / signo de la temperatura = signo de Q

Procesos bc y da (isobáricos)

 ΔSG = cp n ln(Tf/Ti)

 

donde

ΔSG = variación de la entropía del gas

cp  = calor especifico (> 0)

n = número de moles (> 0)

Tf = temperatura final

Ti = temperatura inicial

 

Proceso bc: Tf  > Ti à ln (Tf / Ti) > 0 à ΔSG > 0

Proceso da: Tf <Ti à ln (Tf / Ti) < 0 à ΔSG < 0

 

 

Ciclo

 ΔSG   = 0

 

 

Variación de la entropía del universo (ΔSU)

 Procesos reversibles à ΔSU  = 0

  

Variación de entropía del medio (ΔSM)

 ΔSU = ΔSG + ΔSM

 

donde

ΔSU = variación de la entropía del universo

ΔSG = variación de la entropía del gas

ΔSM = variación de la entropía del medio

 

Si ΔSU  =  0 à ΔSM = - ΔSG

 

 

	ab	bc	cd	da	ciclo
ΔSG	–	+	+	–	0
ΔSM	+	–	–	+	0
ΔSU	0	0	0	0	0