Ejercicios: Variables termodinámicas de un sistema

Una manta térmica de fisioterapia se aplica a $40\ \celsius$ sobre la espalda de un paciente, cuya piel está a $34\ \celsius$.

1. a) ¿En qué sentido se transfiere el calor al principio: de la manta a la piel o al revés?
2. b) Describe qué ocurre con las temperaturas de ambos cuerpos hasta que se alcanza el equilibrio térmico.
3. c) Define con tus palabras qué es el equilibrio térmico.

Tras un viaje largo por la carretera, el aire del interior de las llantas se ha calentado, mientras que el volumen interior de la llanta apenas ha cambiado.

1. a) ¿Qué variable termodinámica del aire encerrado permanece prácticamente constante?
2. b) ¿Cómo se llama este tipo de proceso?
3. c) Predice razonadamente qué le habrá ocurrido a la presión del aire y explica por qué los fabricantes recomiendan medir la presión de las llantas «en frío».

Un cilindro de laboratorio contiene un gas cerrado por un émbolo que puede deslizar sin rozamiento, sometido siempre a la presión atmosférica exterior. Calentamos el gas lentamente.

1. a) ¿Qué variable termodinámica permanece constante durante el proceso? ¿Cómo se denomina este tipo de proceso?
2. b) Razona qué le ocurre al volumen del gas al aumentar su temperatura: ¿sube o baja el émbolo?

Queremos comprimir un gas manteniendo constante su temperatura, es decir, mediante un proceso isotérmico. Para ello sumergimos el cilindro en un baño de agua termostatado a $25\ \celsius$ y empujamos el émbolo muy lentamente.

1. a) Explica por qué la compresión debe realizarse despacio para que la temperatura del gas no cambie.
2. b) ¿Qué papel juega el baño de agua? ¿Qué intercambio permite entre el gas y el entorno?

Un compañero afirma: «El agua de esta olla tiene mucho calor».

1. a) Explica por qué la frase es incorrecta desde el punto de vista de la termodinámica: el calor no se «tiene», se transfiere.
2. b) Reformula la frase correctamente usando los conceptos de energía interna y temperatura.
3. c) Indica de qué dos formas puede un sistema intercambiar energía con su entorno.

Un gas se encuentra en un estado A descrito por $p_{\text{A}} = 1.5\ \text{atm}$, $V_{\text{A}} = 2.5\ \text{L}$ y $t_{\text{A}} = 27\ \celsius$. Datos: $1\ \text{atm} = 1.013\times10^{5}\ \text{Pa}$, $1\ \text{L} = 10^{-3}\ \text{m}^3$ y $T\,(\text{K}) = t\,(\celsius) + 273$.

1. a) Expresa las tres variables en unidades del Sistema Internacional.
2. b) De las tres variables, indica cuál es extensiva (depende de la cantidad de gas encerrado) y cuáles son intensivas (no dependen de ella).

Una balón rígido de gas de una instalación de camping contiene gas a $p_1 = 2\times10^{5}\ \text{Pa}$ cuando su temperatura es $T_1 = 300\ \text{K}$. Un día de mucho calor, la temperatura del gas sube hasta $T_2 = 450\ \text{K}$. Como el balón es rígido, el volumen no cambia y, a volumen constante, el cociente $p/T$ permanece constante (con $T$ expresada en kelvin). El proceso se representa en el gráfico de la figura.

1. a) Predice, antes de calcular, si la presión del gas aumentará o disminuirá.
2. b) Calcula la presión final $p_2$ del gas.

En un diagrama $p$-$V$ se representan tres procesos de un mismo gas: el proceso 1 es un segmento horizontal recorrido hacia la derecha; el proceso 2 es un segmento vertical recorrido hacia arriba; el proceso 3 es una curva descendente recorrida a temperatura constante.

1. a) Nombra cada uno de los tres procesos (isobárico, isócoro o isotérmico).
2. b) Indica en cuál de ellos aumenta el volumen manteniéndose constante la presión.
3. c) Indica en cuál aumenta la presión sin que cambie el volumen.
4. d) ¿En cuál de los tres no varía la temperatura?