Segundo principio 47. 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.
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 --- > entropía del universo aumenta
c. ¿Se podría hacer descender la bolsa de arena en
forma reversible?, ¿cómo?
En la realidad 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 fuentes térmicas infinitas, estime
la variación de entropía del universo.
ΔSU
= ΔSA + ΔSM
La variación
de entropía de la arena
ΔSA
= 0
La variación
de la entropía del medio
ΔSM
=Q / T
donde
ΔSM
=variación de la entropía del medio
Q =
calor cedido por la bolsa al caer = energía potencial = 5 kg * 10 m/s2
* 6 m =300 J
T =
temperatura del ambiente = 27ºC + 273ºC = 300 ºK
Reemplazando
ΔSM
= 300 J/ 300ºK = 1 J/ºK
Reemplazando
en el universo
ΔSU
= 0 + 1 J/ºK = 1 J/ºK < ------- entropía del universo
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