ENSEÑANZA DE LA FÍSICA Y LA QUÍMICA

121. En todas las civilizaciones, y desde el siglo XII, se han creído inventar ingenios, que se movieran sin esfuerzo externo alguno, eran los móviles perpetuos que surgieron en las  ferias, y en las novelas, casi siempre denostadas por los científicos. En 1803, el padre de uno de los científicos mas importantes en el campo de las máquinas térmicas, Sadi Carnot, en su libro” Principios fundamentales del equilibrio y movimiento” manifestaba que  el móvil perpetuo era imposible, ello se demostró posteriormente porque:

a)      No se cumplía el principio de conservación de la energía

b)      No se ajustaba al primer principio de Termodinámica

c)      No se cumplía la ley de Hess

d)      No se mantenía constante la temperatura

122. Los móviles perpetuos que no cumplían el primer principio de termodinámica, se denominaron de primera especie. Era evidente que el trabajo se podría convertir en calor, por eso nos frotamos para calentar las manos, sin embargo lo contrario no era posible del todo. El dispositivo que lo producía se denominó máquina térmica, en ella:

a)      Todo el trabajo se convertía en calor

b)      Sólo se convertía en trabajo la energía interna

c)      La variación de la energía interna era cero

d)      Sólo una parte de la energía calorífica  se convertía en trabajo

123. El objetivo inicial de  una máquina térmica fue producir movimiento a partir del calor, esta idea se plasmó en la antigua Grecia, en la eolipila de Herón de Alejandría (IIa.C.) En ésta, el movimiento se producía al salir vapor de agua por orificios estratégicos de  un calderín capaz de girar unido a la caldera donde se calentaba el agua, por aplicación del principio de acción y reacción. En ella, la energía calorífica se transformaba en:

a) Trabajo de rozamiento

b) Energía cinética de rotación

c) Energía interna de las moléculas de vapor de agua

d) Fuerza para hacer girar la esfera

124.Aprovechando el llamado “poder del vapor de agua”, y a finales del siglo XVII, los ingenieros ingleses y franceses crean las primeras máquinas de vapor, que levantan cargas, mueven molinos, desplazan pesadas piezas, tales como los ingenios de Papin(1647-1712), inventor de la olla a presión, Savery (1650-1715), de Newcamen (1663-1729, en la figura y la máquina de Watt (1736-1819), con la que se inició la revolución industrial. En todas ellas:

a) Toda la energía calorífica se transforma en trabajo

b) Toda la energía calorífica se transforma en energía interna

c) Sólo una parte de la energía calorífica se transforma en trabajo

125. Sadi Carnot (1796-1832), ingeniero francés, apasionado por la máquina de vapor, las estudia y elabora toda una explicación  creando la máquina ideal cíclica que lleva su nombre. En 1824 expone  sus argumentos en  “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas”. Supuso que la potencia motriz  de la máquina térmica  procedía del paso del calórico (todavía existía  dicha teoría) desde un depósito de calor, caldera u  hogar hasta otro frío que actuaba como un sumidero de calor, condensador o refrigerante.

Naturalmente  la máquina de Carnot, se ideó  cuando todavía no se había estudiado la conversión de calor en trabajo (1840), ni enunciado las primeras leyes termodinámicas (1840-1850). En contra de lo que se cree Carnot  nunca definió un rendimiento para su máquina, sino que enunció su “máximo servicio”, esto es la máxima cantidad de agua que sería elevada para una cantidad de carbón empleada en calentar la caldera. Actualmente se definiría como la relación entre:

a) La energía interna consumida y el trabajo desarrollado

b) El trabajo desarrollado y la energía calorífica consumida

c) La energía calorífica consumida y el trabajo desarrollado

d) La temperatura del foco caliente y la del foco frío

el   a) A ;  b)   B         ;  c)     C ;           d) D

dichas transformaciones implicarían, en el orden dado, procesos:

a) Isobárico e isocórico

b) Adiabático e isobárico

c) Isobárico e isotérmico

d) Isobárico y adiabático

e) Isotérmico y adiabático

Y el gráfico P/V que mejor lo representa de todos los dados: 

dichas transformaciones implicarían, en el orden dado, procesos:

a) Isobárico e isocórico

b) Adiabático e isobárico

c) Isobárico e isotérmico

d) Isobárico y adiabático

e) Isotérmico y adiabático

Y el gráfico P/V que mejor lo representa de todos los dados:

ichas transformaciones implicarían, en el orden dado, pro-cesos:

a) Isocórico  e isobárico

b) Adiabático e isobárico

c) Isocórico e isotérmico

d) Isobárico y adiabático

e) Isotérmico y adiabático

Y el gráfico P/V que mejor lo representa de todos los dados:

Sería el a)    A               b)      B                  c)       C                           d) D 

131. Al afirmar la necesidad de dos focos térmicos con diferente temperatura para que un sistema pudiera transformar el calor en trabajo, estaba enunciando Carnot, el segundo principio de termodinámica (uno de los múltiples enunciados), que podría circunscribirse a la imposibilidad de efectuar trabajo a partir de una sola fuente calorífica. Las máquinas que no la cumplían se denominaron móviles perpetuos de segunda especie, mientras que las que incumplían también el primer principio, serían los de tercera especie. Así si un barco se impulsara únicamente a partir de la energía calorífica extraída del mar, podría considerarse un móvil perpetuo de:

a)  Tercera especie                  b)  Segunda especie                 c) Primer especie

132. El ciclo de Carnot  es un  ciclo ideal con el máximo rendimiento. Cualquier máquina en iguales condiciones, lo tendría inferior. Sin embargo el hombre considerado como una máquina  tiene un rendimiento del 25%, y si se aplicara la fórmula del rendimiento de Carnot, dado que trabaja aproximadamente entre 37ºC (309K) y 15ºC supuesta temperatura del medio externo (288K), produciría un rendimiento del  7%, muy inferior al real, lo cual parece una contradicción, sin embargo se debe a que en el organismo humano lo que se transforma en trabajo es energía química, mucho más ordenada que la térmica.

En la tabla que se da se observan los rendimientos de diferente máquina, según eso, y teniendo en cuenta que el foco frío está a la temperatura externa atmosférica dirás que la que está a  más temperatura es la:

a) Máquina de vapor        b) Turbina de vapor

c) Motor de gasolina                d) Motor Diesel

Nota: La línea amarilla representa una pared aislante

136*.Rudolph Clausius introdujo en 1850, una nueva función termodinámica que primero denominó energía inútil y después entropía, palabra griega derivada de tropeion, que significa camino o dirección hacia dentro, que va a medir el grado de desorden en una reacción química, y la definió de forma que "se pareciera tanto como fuera posible a la palabra energía, puesto que ambas magnitudes estaban tan estrechamente  relacionadas en su significado físico, que creemos ventajoso la existencia de cierta semejanza en sus nombres", acuñando el símbolo S para representarla. La letra S que la simboliza  puede indicar con sus trazos curvilíneos el sentido de giro hacia dentro, por aplicación de  la regla del tornillo. Dado que el desorden va relacionado con los grados de libertad de un sistema, podrás decir que un aumento de entropía en un proceso implica:

a)  Otro de energía interna

b) Un aumento del desorden del sistema

c) Una disminución del trabajo efectuado por el sistema

d) Una disminución de la estabilidad del sistema

137*. El criterio clásico de espontaneidad de un  proceso (Thomsen y Berthelot, 1878) decía que sólo aquellos en los que se liberaba energía  se producirían de forma espontánea en ese sentido. Las teorías de enlace parecían corroborar la teoría; evidentemente siempre que se produjeran uniones más estables, el proceso tendría lugar. Sin embargo estamos acostumbrados a observar en nuestro entorno muchos procesos, que  aparentemente surgen espontáneamente  sin ninguna acción externa y que sin embargo requieren energía. Se deja olvidado un vaso con agua encima de la mesilla de noche, y al cabo de cierto tiempo el agua se ha evaporado, aunque la temperatura del entorno era similar a la del sistema. El proceso requiere energía pues hay que romper enlaces de hidrógeno intermoleculares; es endotérmico y  la energía requerida se mide a través de la entalpía de vaporización, y sin embargo se produce espontáneamente. Ello es debido a que el vapor de agua :

a) Tiene más entropía que el agua en estado líquido

b) Tiene mas energía interna

c) Puede efectuar un trabajo

d) Tiene más grados de libertad que el agua en estado líquido

138*.Boltzmann, fue un controvertido químico fisico de la universidad de Viena, de carácter genial y depresivo cuyas teorías sobre el comportamiento desordenado de las moléculas gaseosas, no fueron bien acogidas por el mundo científico. Veraneando con su familia en Duino, en la costa del Adriático, se ahorcaría un día festivo, mientras su mujer y su hija se bañaban. En la lápida de mármol de su mausoleo en Viena, realizada por el escultor Ambrosi, sólo aparece una simple fórmula: S= k lnW, siendo W el número de disposiciones diferentes que puede tomar un sistema químico, y k una constante que llevaría su nombre. Las disposiciones diferentes son una medida estadística, sin dimensiones e  indicaría

a) La probabilidad de que ocurra un suceso

b) El desorden de un proceso

c) La situación más probable de un suceso

d) La tendencia de un proceso

139*. La entropía de un cristal perfecto con todas sus partículas perfectamente ordenadas es nula (3ºPrincipio de Termodinámica enunciado por Nernst en 1906), e  irá aumentado si el estado físico supone una transición entre el orden y el desorden, o sea  desde sólido, a líquido y gas. Así mismo será influida por todas las variables que afecten a dichas tendencias, por ejemplo la temperatura, el peso  atómico o molecular, complejidad del compuesto, el tipo de red en los sólidos y su compacidad. Por este motivo podrás asegurar que siempre aumenta  cuando:

a) Se deja fundir un cubito de hielo que flota en un  vaso con agua.

b) Se condensa formando cristales el vapor de yodo al enfriarse.

c) Se disuelve un  poco de sal común en agua.

d) Se echa agua sobre una disolución de ácido sulfúrico 2N.

140. En la historia de la termoquímica existen dos físicos con apellidos fácilmente confun-dibles:Thompson y Thomson, que con un intervalo de 30 años, nos dejaron 2 principios termodi-námicos. Benjamín y William, uno norteamericano y otro inglés. Ambos eran conocidos por otro nombre, y alcanzaron la nobleza: lord Rumford y lord Kelvin, respectivamente. Este último tuvo una frase que pasó a todos los textos de termodinámica:"El universo tiende al caos", que resume el segundo principio. Ello era debido a que en un sistema como el universo las transformaciones naturales siempre ocurren a través de:

a) El trabajo desarrollado sea el mínimo

b) La variación de entalpía siempre sea máxima

c) La variación de entropía siempre sea máxima

d) La variación de energía interna sea siempre constante