Ejercicios Resueltos de Termodinámica: Trabajo, Energía y Leyes Fundamentales

1. Aplicación de la Primera Ley de la Termodinámica

Un gas contenido en los pulmones se expande durante la inhalación. ¿Cuál afirmación relaciona correctamente este proceso con la primera ley de la termodinámica?

• A) El gas se expande sin intercambiar energía.
• B) La expansión ocurre solo por las leyes de los gases sin trabajo mecánico.
• C) La expansión implica trabajo mecánico y un cambio en la energía interna del gas.
• D) La energía interna del gas permanece constante en todo momento.

Respuesta: C

2. Cálculo de Trabajo Mecánico

Una caja es empujada con una fuerza constante de 50 N y se desplaza 6 m en la misma dirección de la fuerza.

• a) Calcular el trabajo mecánico realizado:

Datos: F = 50 N, d = 6 m.
Cálculo: 50 N × 6 m = 300 J.

• b) Indica si este trabajo puede transformarse en calor y explica brevemente:

Sí, este trabajo puede transformarse en calor, ya que la energía mecánica puede convertirse en energía térmica debido a la fricción o procesos de disipación.

3. Trabajo en la Expansión de un Gas

Un gas contenido en un cilindro se expande a presión constante de 200 kPa, aumentando su volumen de 0.02 m³ a 0.05 m³.

• a) Calcula el trabajo realizado por el gas:

Fórmula: W = P(V₂ – V₁)
W = 200,000 Pa × (0.05 m³ - 0.02 m³)
W = 200,000 × 0.03
W = 6,000 J

• b) Indica si el trabajo es positivo o negativo para el sistema y justifica:

El trabajo es positivo, porque el gas se expande, aumenta su volumen y empuja el entorno realizando trabajo. Cuando el volumen aumenta (ΔV > 0), el sistema entrega energía en forma de trabajo.

4. Balance Energético en un Proceso Termodinámico

Durante un proceso termodinámico, un sistema pierde 800 J de calor y su energía interna disminuye 300 J.

• a) Calcula el trabajo realizado durante el proceso:

Procedimiento:
ΔU = Q - W
Datos: Q = -800 J, ΔU = -300 J
Sustituyendo: -300 = -800 - W
500 = -W
W = -500 J

• b) Indica si el trabajo fue realizado por el sistema o sobre él:

Al ser un valor negativo (W = -500 J), el trabajo fue realizado sobre el sistema.