Ejercicios: Variables termodinámicas de un sistema

En un laboratorio de tecnología se estudian tres sistemas: una olla 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.

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?

En el cilindro del motor de una moto, 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?

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.

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 en qué dos formas puede un sistema intercambiar energía con su entorno.

Clasifica los siguientes sistemas como abiertos, cerrados o aislados, justificando la respuesta a partir de sus intercambios de materia y de energía con el entorno:

1. a) Una persona que está haciendo deporte al aire libre.
2. b) Una bombona de gas butano con la llave de paso cerrada.
3. c) Un termo ideal que no deja pasar nada de calor a través de sus paredes.
4. d) La cabina de la Estación Espacial Internacional, que recibe oxígeno de sus tanques y cede calor al espacio.

En un compresor industrial, el gas comprimido calienta las paredes del cilindro, que a su vez ceden calor al aire del galpón. Analiza el proceso eligiendo dos sistemas distintos: el sistema 1 es solo el gas, y el sistema 2 es el gas más el cilindro.

1. a) Para el sistema 1, indica qué transferencias de energía cruzan su frontera (el trabajo del pistón y el calor hacia las paredes) y asigna su signo.
2. b) Para el sistema 2, explica por qué el calor entre el gas y las paredes ya no aparece en el balance como calor intercambiado con el entorno.
3. c) ¿Ha cambiado la física del proceso por elegir otro sistema? Concluye por qué es imprescindible definir el sistema antes de plantear cualquier balance energético.

Dentro de un termo perfectamente aislante hay agua fría y se introduce un bloque de metal caliente. Consideramos como sistema el conjunto agua + metal. La situación se muestra en el esquema de la figura.

1. a) Justifica que, para el sistema completo, $Q = 0$ y $W = 0$, y deduce cuánto vale la variación de energía interna $\Delta U$ del conjunto durante el proceso.
2. b) Indica el signo del calor que intercambia el metal y el signo del que intercambia el agua, considerando cada uno como un subsistema.
3. c) Si el metal cede un calor $Q_{\text{metal}} = -40\,000\ \text{J}$, ¿cuánto vale el calor recibido por el agua?
4. d) Describe el estado final del sistema: ¿qué condición de equilibrio se alcanza entre el agua y el metal?

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.