Variables termodinámicas de un sistema

En un laboratorio de tecnología se estudian tres sistemas: un cazo de sopa hirviendo sin tapa, una botella de refresco bien cerrada y un termo de acero inoxidable con comida caliente, también bien cerrado.

1. a) Clasifica cada sistema como abierto, cerrado o aislado.
2. b) Indica, en cada caso, si el sistema puede intercambiar materia, energía, ambas o ninguna con el entorno.

En el cilindro del motor de una motocicleta, la mezcla de gasolina y aire se comprime y se quema. Tomamos como sistema los gases encerrados en el cilindro.

1. a) Indica qué cuerpos forman el entorno del sistema.
2. b) ¿Qué elementos hacen de frontera entre el sistema y el entorno?
3. c) Clasifica el sistema mientras las válvulas permanecen cerradas: ¿puede intercambiar materia con el exterior? ¿Y energía?

Considera las siguientes magnitudes termodinámicas: presión $p$, volumen $V$, temperatura $T$, energía interna $U$, calor $Q$ y trabajo $W$.

1. a) Indica cuáles de ellas son variables de estado del sistema.
2. b) Explica el criterio que has utilizado: ¿qué diferencia hay entre una variable de estado y una transferencia de energía?

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: $1\ \text{atm} = 1,013\cdot10^{5}\ \text{Pa}$, $1\ \text{L} = 10^{-3}\ \text{m}^3$ 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).

Tras un viaje largo por autopista, el aire del interior de los neumáticos se ha calentado, mientras que el volumen interior del neumático 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 los neumáticos «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 isotermo. 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?

Una bombona rígida de gas de una instalación de camping contiene gas a $p_1 = 2\cdot10^{5}\ \text{Pa}$ 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 la bombona es rígida, el volumen no cambia y, a volumen constante, el cociente $p/T$ permanece constante (con $T$ expresada en kelvin). El proceso se representa en la gráfica 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.

Un gas pasa del estado 1 ($p_1 = 2\cdot10^{5}\ \text{Pa}$, $V_1 = 1\cdot10^{-3}\ \text{m}^3$, $T_1 = 300\ \text{K}$) al estado 2 ($p_2 = 4\cdot10^{5}\ \text{Pa}$, $V_2 = 1\cdot10^{-3}\ \text{m}^3$, $T_2 = 600\ \text{K}$). La figura muestra los dos estados en un diagrama p-V y dos caminos posibles para ir de uno a otro.

1. a) Indica qué variables han cambiado y cuál ha permanecido constante. ¿Cómo se denomina un proceso así?
2. b) Si el gas hubiera llegado al estado 2 por otro camino distinto, por ejemplo expandiéndose primero y comprimiéndose después, ¿habría cambiado la variación de energía interna $\Delta U$ entre ambos estados? Justifícalo usando el concepto de función de estado.

Una pequeña máquina de laboratorio hace describir a un gas ciclos termodinámicos cerrados: al final de cada ciclo, el gas vuelve exactamente a su estado inicial.

1. a) Justifica, usando que la energía interna es función de estado, que la variación de energía interna en un ciclo completo es nula.
2. b) Aplicando el primer principio $\Delta U = Q + W$ a un ciclo completo, deduce la relación entre el calor neto y el trabajo neto intercambiados.
3. c) Si en cada ciclo la máquina entrega $300\ \text{J}$ de trabajo neto al exterior (es decir, $W = -300\ \text{J}$ con el convenio de signos), calcula el calor neto que debe absorber el gas por ciclo.
4. d) ¿Cuánto calor neto absorbe el gas en $50$ ciclos?

La cabina de la Estación Espacial Internacional recibe oxígeno desde los tanques, envía dióxido de carbono a los sistemas de depuración y cede calor al exterior únicamente por radiación hacia el espacio.

1. a) Clasifica la cabina como sistema termodinámico (abierto, cerrado o aislado), justificando la respuesta con sus intercambios de materia y de energía.
2. b) Asigna el signo del calor que la cabina intercambia con el espacio exterior.
3. c) Indica qué debería cambiar para que pudiéramos considerarla un sistema cerrado.
4. d) Razona si sería posible, en la práctica, convertirla en un sistema verdaderamente aislado respecto al intercambio de energía.