oposicionesfyq.es
ES · CA

Supuesto 30

Cantabria 2024 ·

Enunciado

Un mol de un gas ideal diatómico se encuentra a 300 K ocupando un volumen de 3 L. Se expansiona isotérmicamente hasta que su volumen es el doble y a continuación se le enfría isobáricamente hasta cierto estado. Un proceso adiabático final devuelve al gas a su estado inicial.

a) Determine el valor de las variables termodinámicas en los diferentes estados. (1 punto) b) Determine el calor intercambiado y el trabajo realizado en cada proceso. (1 punto)

Solución

Gas diatómico significa CV=52RC_V = \tfrac{5}{2}R, CP=72RC_P = \tfrac{7}{2}R y γ=CP/CV=1,40\gamma = C_P/C_V = 1{,}40. Es el dato que hay que extraer de la palabra «diatómico» y sin el cual no se puede cerrar el ciclo.

a) Los tres estados. El estado 3 es el único que hay que buscar: no se dice a qué volumen se enfría el gas, pero está determinado por la condición de que la adiabática 3→1 cierre el ciclo.

Estado 1: T1=300T_1 = 300 K, V1=3,00V_1 = 3{,}00 L.

P1=nRT1V1=1⋅8,314⋅3003,00⋅10−3=8,31⋅105 Pa=8,21 atmP_1 = \frac{nRT_1}{V_1} = \frac{1\cdot 8{,}314\cdot 300}{3{,}00\cdot 10^{-3}} = 8{,}31\cdot 10^{5}\ \mathrm{Pa} = 8{,}21\ \mathrm{atm}

Estado 2 (isoterma, VV se duplica): T2=300T_2 = 300 K, V2=6,00V_2 = 6{,}00 L, y como PVPV es constante, P2=P1/2=4,16⋅105P_2 = P_1/2 = 4{,}16\cdot 10^{5} Pa =4,10= 4{,}10 atm.

Estado 3 (isóbara desde 2, luego adiabática hasta 1): P3=P2=4,16⋅105P_3 = P_2 = 4{,}16\cdot 10^{5} Pa. De la adiabática P3V3γ=P1V1γP_3V_3^\gamma = P_1V_1^\gamma:

V3=V1(P1P3)1/γ=3,00⋅21/1,4=3,00⋅1,641=4,92 LV_3 = V_1\left(\frac{P_1}{P_3}\right)^{1/\gamma} = 3{,}00\cdot 2^{1/1{,}4} = 3{,}00\cdot 1{,}641 = \boxed{4{,}92\ \mathrm{L}} T3=P3V3nR=4,157⋅105⋅4,922⋅10−38,314=246,1 KT_3 = \frac{P_3V_3}{nR} = \frac{4{,}157\cdot 10^{5}\cdot 4{,}922\cdot 10^{-3}}{8{,}314} = \boxed{246{,}1\ \mathrm{K}}

Comprobación por la otra forma de la adiabática: T3=T1(V1/V3)γ−1=300⋅(0,6095)0,4=246,1T_3 = T_1(V_1/V_3)^{\gamma-1} = 300\cdot(0{,}6095)^{0{,}4} = 246{,}1 K. ✔

| Estado | PP (Pa) | VV (L) | TT (K) | | ------ | -------------------- | ------- | ------- | | 1 | 8,31⋅1058{,}31\cdot 10^{5} | 3,00 | 300,0 | | 2 | 4,16⋅1054{,}16\cdot 10^{5} | 6,00 | 300,0 | | 3 | 4,16⋅1054{,}16\cdot 10^{5} | 4,92 | 246,1 |

b) Calor y trabajo. Convenio: WW es el trabajo realizado por el gas y ΔU=Q−W\Delta U = Q - W.

1→2, isoterma. ΔU=0\Delta U = 0 porque UU de un gas ideal solo depende de TT:

W12=nRTln⁡V2V1=8,314⋅300⋅ln⁡2=+1729 J=Q12W_{12} = nRT\ln\frac{V_2}{V_1} = 8{,}314\cdot 300\cdot\ln 2 = +1729\ \mathrm{J} = Q_{12}

2→3, isóbara.

W23=P ΔV=4,157⋅105⋅(4,922−6,000)⋅10−3=−448 JW_{23} = P\,\Delta V = 4{,}157\cdot 10^{5}\cdot(4{,}922 - 6{,}000)\cdot 10^{-3} = -448\ \mathrm{J} ΔU23=nCVΔT=52⋅8,314⋅(−53,9)=−1120 J\Delta U_{23} = nC_V\Delta T = \tfrac{5}{2}\cdot 8{,}314\cdot(-53{,}9) = -1120\ \mathrm{J} Q23=ΔU23+W23=−1568 JQ_{23} = \Delta U_{23} + W_{23} = -1568\ \mathrm{J}

Comprobación: Q23=nCPΔT=72⋅8,314⋅(−53,9)=−1568Q_{23} = nC_P\Delta T = \tfrac{7}{2}\cdot 8{,}314\cdot(-53{,}9) = -1568 J. ✔

3→1, adiabática. Por definición Q31=0Q_{31} = 0, luego

W31=−ΔU31=−nCV(T1−T3)=−52⋅8,314⋅53,9=−1120 JW_{31} = -\Delta U_{31} = -nC_V(T_1 - T_3) = -\tfrac{5}{2}\cdot 8{,}314\cdot 53{,}9 = -1120\ \mathrm{J}

| Proceso | ΔU\Delta U (J) | WW (J) | QQ (J) | | -------------- | -------------- | --------- | --------- | | 1→2 isoterma | 0 | +1729 | +1729 | | 2→3 isóbara | −1120 | −448 | −1568 | | 3→1 adiabática | +1120 | −1120 | 0 | | Ciclo | 0 | +160 | +160 |

La comprobación que hay que hacer siempre: en un ciclo ΔU=0\Delta U = 0, así que ∑W=∑Q\sum W = \sum Q. Aquí ambos dan +160+160 J. El signo positivo indica que el ciclo es motor (se recorre en sentido horario en el diagrama PP–VV). Su rendimiento es η=Wneto/Qabsorbido=160/1729=9,3 %\eta = W_{\text{neto}}/Q_{\text{absorbido}} = 160/1729 = 9{,}3\ \%; el de Carnot entre 246,1 y 300 K sería del 18,0 %, así que ni la mitad — normal, porque el ciclo no es reversible entre dos únicos focos.

supuesto-progress

Crea cuenta gratis
Recursos descargables

Resolución en PDF

Supuesto en PDF (enunciado + resolución)

Necesitas un correo para acceder. Sin contraseñas, sin coste. Te enviamos un enlace mágico.