Termodinamica

Respuesta correcta: D) 297 K

• A) 249 KIncorrecto. Reste 24 a 273 en lugar de sumar; esa operación invierte el sentido de la conversión.
• B) 1.243 KIncorrecto. Multiplicó la temperatura en grados Celsius por el número de grados de la escala, error típico al cambiar de escala.
• C) 24 KIncorrecto. Repitió el valor numérico de los grados Celsius sin aplicar la conversión a kelvin.
• D) 297 KCorrecto. La relación es $T = t + 273.15$, y $24\,^{\circ}\text{C}$ corresponde a $297.15\ \text{K}$, que se redondea a 297 K.

Respuesta correcta: A) Aumenta 300 J

• A) Aumenta 300 JCorrecto. Por la primera ley, $\Delta U = Q - W = 500\ \text{J} - 200\ \text{J} = 300\ \text{J}$.
• B) Aumenta 700 JIncorrecto. Sumó el trabajo en vez de restarlo; el trabajo realizado por el gas se resta porque la energía interna cedió esa energía.
• C) Disminuye 300 JIncorrecto. Invirtió el signo del resultado. El gas ganó calor y perdió parte como trabajo, pero su energía interna aumentó.
• D) No cambia, porque el calor y el trabajo son la misma magnitudIncorrecto. Calor y trabajo son dos formas de transferencia de energía, distintas entre sí, y la primera ley los combina como $Q$ y $W$.

Respuesta correcta: B) Porque el agua tiene un calor específico muy alto, de modo que se calienta poco al recibir mucha energía y se enfría poco al perderla.

• A) Porque el agua tiene una densidad muy baja, por lo que necesita menos energía para cambiar de temperatura.Incorrecto. La densidad no determina el calor específico, y el agua tiene una densidad alta, no baja. El bajo calor específico del agua es lo que explica el efecto.
• B) Porque el agua tiene un calor específico muy alto, de modo que se calienta poco al recibir mucha energía y se enfría poco al perderla.Correcto. El calor específico del agua es de aproximadamente $4.2\ \text{J/(g}\cdot{}^{\circ}\text{C)}$, mucho mayor que el de la tierra y la arena.
• C) Porque el agua conduce el calor más rápidamente que el aire, de modo que el mar envía energía al interior del tierra.Incorrecto. La conducción rápida es un papel menor en este fenómeno, y el mar no envía calor al interior del territorio sino que modera la temperatura del aire costero.
• D) Porque el agua alcanza el cero absoluto con muy poca energía, así que se mantiene fría todo el año.Incorrecto. Ningún cuerpo alcanza el cero absoluto en la práctica, y el mar en la costa colombiana está lejos de esa temperatura. La explicación correcta es el calor específico alto.

Respuesta correcta: C) 336 000 J

• A) 3.36 JIncorrecto. Usó 2.0 en lugar de 2000 al convertir los kilogramos a gramos, por lo que el resultado quedó mil veces menor.
• B) 84 000 JIncorrecto. Tomó $\Delta T$ como 20 °C, la temperatura inicial, en lugar de la variación de 40 °C que hay entre 20 °C y 60 °C.
• C) 336 000 JCorrecto. $Q = mc\Delta T = 2000\ \text{g}\times 4.2\ \text{J/(g}\cdot{}^{\circ}\text{C)}\times 40\,^{\circ}\text{C} = 336\,000\ \text{J}$.
• D) 16 800 JIncorrecto. Dividió el resultado correcto entre veinte, posiblemente por confundir el calor específico con el inverso de la masa en unidades del sistema internacional.

Respuesta correcta: D) 1.13 × 10⁶ J

• A) 1.13 × 10³ JIncorrecto. Expresó el resultado en kilojoules y lo dejó anotado como joules, de modo que el valor numérico es mil veces menor que el correcto.
• B) 4.52 × 10⁶ JIncorrecto. Usó el calor latente de fusión del agua, cercano a $334\ \text{J/g}$, que no corresponde a la vaporización.
• C) 4.20 × 10² JIncorrecto. Aplicó la fórmula del calor específico $mc\Delta T$ a un cambio de estado, donde el calor latente es el parámetro pertinente y $\Delta T$ es cero.
• D) 1.13 × 10⁶ JCorrecto. $Q = mL_v = 500\ \text{g}\times 2.26\times 10^3\ \text{J/g} = 1.13\times 10^6\ \text{J}$.

Respuesta correcta: A) 7.2 × 10⁻³ m

• A) 7.2 × 10⁻³ mCorrecto. $\Delta L = \alpha L\Delta T = 1.2\times 10^{-5}\times 20\ \text{m}\times 30\,^{\circ}\text{C} = 7.2\times 10^{-3}\ \text{m}$, es decir 7.2 mm.
• B) 7.2 × 10⁻⁵ mIncorrecto. Olvidó uno de los dos factores numéricos, la longitud de 20 m o la variación de 30 °C, y obtuvo un resultado mil veces menor.
• C) 6.0 × 10⁶ mIncorrecto. Invirtió la división por la multiplicación, de modo que el coeficiente se dividió en lugar de multiplicarse y el resultado perdió sentido físico.
• D) 7.2 × 10⁻¹ mIncorrecto. Erró en el orden de magnitud al convertir el resultado, que equivale a 7.2 mm y no a 72 cm. Una dilatación del 3.6 % sería excesiva para el acero.

Respuesta correcta: B) La energía interna aumenta y la temperatura sube, porque el trabajo realizado sobre el gas se convierte en energía interna.

• A) La energía interna no cambia, porque sin calor no hay transferencia de energía.Incorrecto. El calor es solo una de las dos vías de transferencia de energía; el trabajo también transfiere energía y fue la única presente en este proceso.
• B) La energía interna aumenta y la temperatura sube, porque el trabajo realizado sobre el gas se convierte en energía interna.Correcto. Al no haber intercambio de calor, $Q = 0$ y la primera ley da $\Delta U = W$, de modo que la energía interna y la temperatura ascienden.
• C) La energía interna disminuye, porque el gas pierde volumen y por eso pierde energía.Incorrecto. Perder volumen significa que el ambiente realiza trabajo sobre el gas, y ese trabajo se acumula como energía interna, que aumenta.
• D) La temperatura baja, porque al reducir el volumen las moléculas quedan más juntas y se enfrían.Incorrecto. Las moléculas más próximas chocan con mayor frecuencia y energía, lo que eleva la temperatura del gas.

Respuesta correcta: C) 12.3 L

• A) 24.6 LIncorrecto. Usó $T = 300\ \text{K}$ como si fueran 600 K, o duplicó el resultado, probablemente por confundir el valor de la constante con un factor adicional.
• B) 6.1 LIncorrecto. Usó medio mol adicional implícitamente, pues el resultado corresponde a 0.25 moles a la misma temperatura y presión.
• C) 12.3 LCorrecto. $V = \frac{nRT}{P} = \frac{0.5\times 8.314\ \text{J/mol}\cdot\text{K}\times 300\ \text{K}}{101\,325\ \text{Pa}} = 0.0123\ \text{m}^3$, es decir 12.3 L.
• D) 246 LIncorrecto. Expresó el resultado en litros sin convertir los metros cúbicos, de modo que el valor numérico quedó diez veces mayor. El cálculo en metros cúbicos da 0.0123.

Respuesta correcta: D) Porque la segunda ley obliga a que una parte de la energía se descarte como calor a una fuente fría, y solo el resto puede convertirse en trabajo.

• A) Porque las máquinas térmicas siempre se deterioran con el uso y pierden eficiencia poco a poco.Incorrecto. El desgaste reduce el rendimiento, pero la limitación es intrínseca a la conversión de calor en trabajo y se debe a la segunda ley.
• B) Porque el trabajo mecánico es menos energía que el calor, y por eso las unidades no se pueden convertir.Incorrecto. Trabajo y calor son magnitudes de la misma dimensión, la energía, y sí se convierten entre sí sin cambio de unidades.
• C) Porque la energía del combustible es de menor calidad que la energía mecánica, y eso impide cualquier transformación.Incorrecto. La transformación entre energía térmica y trabajo sí ocurre; lo que limita la fracción convertible es la imposibilidad de alcanzar un rendimiento del 100 %.
• D) Porque la segunda ley obliga a que una parte de la energía se descarte como calor a una fuente fría, y solo el resto puede convertirse en trabajo.Correcto. Ningún motor térmico puede tener rendimiento del 100 %; la máquina debe expulsar calor a un sumidero más frío.

Respuesta correcta: A) Por la tercera ley de la termodinámica, el cero absoluto es una temperatura que solo puede acercarse asintóticamente y no alcanzarse mediante una secuencia finita de pasos.

• A) Por la tercera ley de la termodinámica, el cero absoluto es una temperatura que solo puede acercarse asintóticamente y no alcanzarse mediante una secuencia finita de pasos.Correcto. La tercera ley establece la inaccesibilidad del cero absoluto, coherente con el enunciado del principio de incerteza.
• B) Porque la energía interna de cualquier cuerpo es siempre positiva, de modo que no puede reducirse hasta cero.Incorrecto. En el cero absoluto la energía interna de un cuerpo no es cero, sino mínima, y existe energía residual debida a la energía de punto cero.
• C) Porque el frío es una sustancia que fluye del ambiente al cuerpo y se agota cuando desaparece.Incorrecto. Esta alternativa revela un error conceptual previo: el frío no es una sustancia, sino la dirección en que la energía se transfiere desde el cuerpo.
• D) Porque el cero absoluto equivale a menos 273.15 °C, y ninguna temperatura puede ser negativa en una escala absoluta.Incorrecto. La conversión numérica es correcta, pero no constituye una explicación física; una escala absoluta puede contener valores negativos, como lo muestra el cero Celsius.

Respuesta correcta: B) La temperatura disminuye con el tiempo, pero cada vez más lentamente, porque la pérdida de calor es proporcional a la diferencia con la temperatura del ambiente.

• A) La temperatura disminuye siempre a la misma velocidad, porque la energía se pierde a ritmo constante.Incorrecto. Las diferencias entre intervalos son 12, 8, 5 y 3 °C, de modo que la velocidad de enfriamiento disminuye claramente con el tiempo.
• B) La temperatura disminuye con el tiempo, pero cada vez más lentamente, porque la pérdida de calor es proporcional a la diferencia con la temperatura del ambiente.Correcto. Las caídas por intervalo son de 12, 8, 5 y 3 °C, cada vez menores, lo que es coherente con una ley de enfriamiento gobernada por la diferencia de temperatura.
• C) La temperatura se estabiliza exactamente en 0 °C, porque el agua alcanza el punto de congelación.Incorrecto. Los datos muestran que la temperatura se acerca al ambiente, no a 0 °C, y en Cúcuta el ambiente está muy por encima del punto de congelación.
• D) El agua gana calor del ambiente, y por eso su temperatura baja cada vez más despacio por efecto del calor específico.Incorrecto. El recipiente pierde calor hacia un ambiente más frío; el calor específico explica la inercia térmica, no una ganancia de energía.

Respuesta correcta: C) La de Julián, porque la mezcla con aire exterior transfiere energía al salón y el aire interior pierde energía interna al alcanzar el equilibrio térmico.

• A) La de Camila, porque el aire frío no puede mezclarse con el aire caliente y por eso lo expulsa mecánicamente.Incorrecto. Los gases sí se mezclan por difusión, y esa mezcla transfiere energía; además no existe un mecanismo de expulsión puramente mecánica del aire caliente.
• B) Ninguna de las dos, porque la temperatura de una sala no puede cambiar por ventilación.Incorrecto. Una sala cambia de temperatura continuamente por el intercambio de energía con el exterior; la ausencia de paredes aislantes permite esa transferencia.
• C) La de Julián, porque la mezcla con aire exterior transfiere energía al salón y el aire interior pierde energía interna al alcanzar el equilibrio térmico.Correcto. La mezcla actúa como un sumidero de calor y el intercambio de energía produce un equilibrio, lo que corresponde a un proceso espontáneo de igualación de temperaturas.
• D) Ambas, porque el aire frío y el aire caliente pueden coexistir en equilibrio sin intercambiar energía.Incorrecto. El equilibrio térmico exige igualar las temperaturas, lo que solo se logra transfiriendo energía del cuerpo más caliente al más frío.