Ejercicios: Ley cero, primera, segunda y tercera ley; energía interna

Lucas coloca un termómetro en un vaso de tereré recién preparado y espera hasta que la lectura deja de cambiar. Explicá qué enuncia la ley cero de la termodinámica y qué significa que el termómetro y el tereré hayan alcanzado el equilibrio térmico.

Un gas encerrado en un cilindro recibe $500\ \text{J}$ de calor y realiza un trabajo de $200\ \text{J}$ sobre el pistón. Usando la primera ley de la termodinámica, calculá la variación de energía interna del gas e indicá si su energía interna aumenta o disminuye.

Fátima deja una taza de café caliente sobre la mesa y observa que se enfría hasta quedar a la temperatura del ambiente. Nunca ve que el café se caliente solo tomando calor de la habitación. ¿Qué principio de la termodinámica explica esta observación? Enunciá ese principio con tus palabras.

Derlis agita enérgicamente, dentro de un recipiente aislado, un líquido con una paleta. La paleta realiza sobre el líquido un trabajo de $1.200\ \text{J}$ y no hay intercambio de calor con el exterior. Con la primera ley y el criterio de signos, calculá la variación de energía interna del líquido. Luego explicá qué le ocurre a su temperatura y por qué el trabajo se considera negativo en este caso.

Un sistema pasa por tres etapas consecutivas. En la primera absorbe $800\ \text{J}$ de calor y realiza $300\ \text{J}$ de trabajo. En la segunda cede $200\ \text{J}$ de calor y se realiza sobre él un trabajo de $100\ \text{J}$. En la tercera no intercambia calor y realiza $150\ \text{J}$ de trabajo. Calculá la variación de energía interna en cada etapa y la variación total del proceso completo.

Los cuerpos A, B y C se ponen en contacto térmico de a pares. Se observa que A y B no intercambian calor entre sí, y que B y C tampoco intercambian calor entre sí. Si A está a $25\ °\text{C}$, ¿qué podés afirmar sobre la temperatura de C y sobre el contacto entre A y C? Justificá con la ley cero y explicá por qué esta ley permite construir termómetros.

Mónica propone una máquina que toma $1.000\ \text{J}$ de calor de un depósito caliente y los convierte íntegramente en $1.000\ \text{J}$ de trabajo útil, funcionando en ciclos, sin ceder calor a ningún otro depósito. Analizá la propuesta con la primera y la segunda ley: ¿cumple la conservación de la energía? ¿Es posible según la segunda ley? Argumentá tu respuesta y explicá qué modificación mínima la haría físicamente viable.

Un gas sufre un proceso en el que recibe $900\ \text{J}$ de calor y su energía interna aumenta $350\ \text{J}$. Después, en un segundo proceso, el mismo gas vuelve a su estado inicial cediendo $600\ \text{J}$ de calor. Calculá el trabajo realizado por el gas en cada proceso y el trabajo neto del ciclo. Después discutí, con la tercera ley de la termodinámica, por qué no se puede enfriar un sistema hasta el cero absoluto mediante un número finito de pasos.