Fisica III_LA- 2 Calor y temperatura 666KB Mar 08 2012 11:05

Colegio Teresiano - Los Ángeles
Departamento de Ciencias
Subsector: Física
Prof. Jorge Fuentes Novoa
Guía de ejercicios 02/2011
Nombre: ……………………………………………………………..………… Curso: ………... Fecha: ………….…..…
Unidad
Calor y temperatura
Nivel
III° Medio
Aprendizajes esperados
-Modelar y pronosticar los cambios (dilatación) experimentados por los cuerpos
producto de la variación de temperatura.
-Resolver ejercicios referentes a la transferencia de calor considerando las diversas
variables involucradas: calor(Q), temperatura(T), masa(m), calor específico(c) y
calor latente(L).
-Transformar entre los distintos sistemas de medición de temperatura.
I.
Realice, en su cuaderno, un glosario con los conceptos más importantes de esta unidad.
II.
Resuelva los siguientes ejercicios usando las tablas que se encuentran al final de esta guía o las que aparecen en
la pág 18 del libro de II°Medio. Recuerde seguir el procedimiento exigido por el profesor (datos, fórmulas,
unidades de medida). Redondee los resultados a la centésima. Considere la teperatura ambiente de 20°C.
DILATACIÓN TÉRMICA
1.
Una barra metálica de 2,6 m de longitud a una temperatura de 21°C se calienta uniformemente a una temperatura de
93°C. Si el cambio de longitud de la barra es 3,4 mm, ¿cuál es el coeficiente de dilatación lineal de la barra?
2.
Una pieza de aluminio mide 3,66 m de largo en un día de frío de invierno (-28°C). ¿Cuánto aumenta su longitud en un
día caliente de verano (39°C)?
3.
Una pieza de acero tiene una longitud de 11,5 m a 22 °C. Si se calienta a 1221°C, cerca de su pinto de fusión, ¿cuál es
ahora su longitud?
4.
Una lata de gaseosa de aluminio de 354 cm3 que está ahora en la nevera (4,4°C), se llena de agua hasta el borde.
a. ¿Cuál es el volumen del líquido en un día caluroso (34,5°C)?
b. ¿Cuál es el volumen de la lata? (Considere que la lata se dilata tanto como lo haría un bloque metálico del mismo
volumen)
c. ¿Cuánto líquido se derramará?
5.
Un carrotanque carga 45725 litros de gasolina en Houston a 32°C. El coeficiente de dilatación de la gasolina es
-6
-1
316,6 x10 °C . El carrotanque entrega su carga en Omaha donde la temperatura es de -18°C.
a. ¿Cuántos litros de gasolina entrega el carrotanque?
b. ¿Qué le sucedió a la gasolina? Explique.
6.
Una esfera de aluminio se calienta, pasando de 11°C a 580°C. Si el volumen de la esfera a 11°C es de 1,78 cm 3, ¿cuál es
el incremento de volumen de la esfera cuando la temperatura es de 580°C?
TRANSFERENCIA DE CALOR
7.
Un bloque de hierro de 400 g se calienta desde los 295 K hasta los 325 K. ¿Cuánto calor absorbió el hierro?
8.
¿Qué cantidad de calor es absorbida por 60 g de Cu cuando se calienta desde 68°F hasta 80°C?
9.
Un bloque de plomo de 38 kg se calienta desde -26°C hasta 356 °F. ¿Cuánto calor absorbe durante el calentamiento?
10. El sistema de enfriamiento del motor de un auto contiene 20 L de agua (la densidad del agua es ρ= 1 kg/L)
a. ¿Cuál es el cambio de temperatura del agua si se debe refrigerar 836 kJ de calor?
b. Suponga que es invierno y se llena el sistema de refrigeración con metanol (la densidad del metanol es ρ= 0,8 kg/L)
¿Cuál es el incremento de temperatura del metanol si absorbe 836 kJ de calor?
c. ¿Cuál es mejor refrigerante: el agua o el metanol? Explique.
11. Un cubo de hierro de 565 g se enfría desde la temperatura de ebullición del agua hasta la temperatura ambiente.
a. ¿Qué cantidad de calor absorbe el cubo?
b. Si el hierro es enfriado en agua a 273,15 K aumentando la temperatura del agua hasta 68°F, ¿qué cantidad de agua
se necesita?
12. ¿Qué cantidad de calor se necesita para elevar la temperatura de 50 g de agua de 4,5°C a 83°C?
13. ¿Qué cantidad de calor debe añadirse a 50 g de aluminio para elevar su temperatura de 77°F a 125 °C?
14. Un bloque metálico de 500 g absorbe 5016 J de calor cuando su temperatura se eleva de 293,15 K a 30°C. Calcule el
calor específico del metal.
15. Una taza de vidrio para el café de 400 g que se encuentra a la temperatura ambiente, se introduce en el lavaplatos a
80°C. Si la temperatura de la taza se iguala a la del lavaplatos, ¿cuánto calor absorbe la taza? (Suponga que la masa
del lavaplatos es suficientemente grande, de tal manera que su temperatura no varía apreciablemente)
16. Por un alambre de cobre de 165 g de masa pasa una corriente eléctrica durante un corto tiempo, elevando su
temperatura de 21°C a 39°C. ¿Qué cantidad mínima de energía es transferida por la corriente?
17. ¿Qué volumen de agua, en litros, puede calentarse con 290000 J desde la temperatura ambiente hasta la temperatura
de ebullición?
EQUILIBRIO TÉRMICO
18. Una masa de tungsteno de 100 g a 100°C se coloca en 200 g de agua a 20°C. La mezcla alcanza el equilibrio a los
21,6°C. Calcule el calor específico del tungsteno.
19. Una muestra de agua de 500 g está a 15°C en un calorímetro. Un bloque de zinc de 40 g a 115°C se coloca dentro del
agua. Encuentre la temperatura final del sistema.
20. 200 g de agua a 80°C se mezclan con 200 g de agua a 10°C. Suponga que no hay pérdidas de calor. ¿Cuál es la
temperatura final de la mezcla?
21. 400 g de metanol a 16°C se mezclan con 400 g a 85°C. Suponga que no hay pérdidas de calor. ¿Cuál es la temperatura
final de la mezcla?
22. Un bloque de bronce de 100 g a 90°C se coloca en un calorímetro que contiene 200 g de agua a 20°C. Suponga que no
hay pérdidas de calor. ¿Cuál es la temperatura final de la mezcla?
23. Un bloque metálico de 100 g a 100°C se coloca en 100 g de agua a 10°C. La temperatura final de la mezcla es 25°C
¿Cuál es el calor específico del metal?
24. 600 g de agua a 90°C se mezclan con 400 g de agua a 22°C. ¿Cuál es la temperatura final de la mezcla? Suponga que
no hay pérdidas de energía en los alrededores.
25. Un trozo de zinc de 10 kg a 71°C se coloca en un recipiente con agua. El agua tiene una masa de 20 kg y una
temperatura inicial de 10°C. ¿Cuál es la temperatura final del agua y del zinc?
26. Un trozo de bronce de 200 g a 100°C se coloca en un calorímetro que contiene 261 g de agua a 20°C. Calcule la
temperatura del bronce y del agua en el equilibrio térmico. Desprecie la absorción de calor por parte del calorímetro.
27. Se utiliza un calentador eléctrico de inmersión de 300 W para calentar una taza de agua. La taza es de vidrio, tiene
una masa de 300 g y contiene 250 g de agua a 15°C. ¿Cuánto calor debe entregar el calentador para que el agua
comience a hervir? ¿Cuánto tiempo debe mantenerse conectado el calentador? Suponga que la temperatura de la
taza es igual que la del agua durante todo el tiempo y que no hay transferencia de calor con el aire.
OBS: 1 W (watt) significa que en cada segundo se utiliza 1 Joule de energía.
28. Un auto con un motor de hierro colado de 250 kg utiliza agua como refrigerante. Suponga que la temperatura del
motor es de 35°C y la temperatura del aire es de 10°C. El calor cedido por el motor y el agua cuando alcanzan la
temperatura del aire es de 4,4 MJ. ¿Qué cantidad de agua se utilizó para enfriar el motor?
29. Un auto de 750 kg que se mueve a 32,8 km/h tiene una energía cinética de 198375 J. En cierto momento aplica los
frenos hasta detenerse. Los frenos contienen, aproximadamente, 15 kg de hierro que absorben completamente la
energía. ¿Cuál es el incremento de temperatura de los frenos?
30. “Low Joule Cola”, una gaseosa baja en calorías, es un refresco australiano en cuya etiqueta se lee: “100 mL
proporcionan 1,7 kJ”. Berta toma una gaseosa de 375 mL y con el fin de compensar las calorías ganadas resuelve subir
escaleras. Si por cada metro que ascienda perderá la energía equivalente a 9,8 veces su masa, ¿qué altura debe
ascender si su masa es de 65 kg?
31. Una bala de plomo de 4,2 g que viaja a 275 m/s choca contra una placa de acero y se detiene. Si la energía cinética de
la bala es 158,81 J y al momento del choque se transforma íntegramente en calor, ¿cuál es su aumento de
temperatura?
CAMBIO DE FASE
32. Hace muchos años en los hogares se utilizaban a diario bloques de hielo de 20 kg. Cuando los bloques se
despachaban, su temperatura era de 0°C. Cuando el bloque se derretía, ¿qué cantidad de calor había absorbido?
33. Una persona que consume diariamente alimentos que le proporcionan 2400 cal, gasta 10 MJ de energía por día. ¿Qué
cantidad de agua a 100°C se podría evaporar con esa energía?
34. Cuando una muestra de 40 g de cloroformo se condensa, pasando del estado gaseoso a 61,6°C al estado líquido a
61,6°C, libera 9870 J de calor. ¿Cuál es el calor latente de vaporización del cloroformo?
35. ¿Qué cantidad de calor se libera de 60 g de vapor a 100°C cuando se convierten en 60 g de agua a 20°C?
36. ¿Qué cantidad de calor hay que suministrarle a 10 g de hielo a -20°C para convertirlo en vapor a 120°C?
37. Un trozo de hielo de 50 g a 0°C se coloca en un vaso de vidrio que contiene 400 g de agua a 50°C hasta que todo el
hielo se derrite. ¿Cuál es la temperatura final de la mezcla? (Desprecie el calor cedido por el vidrio)
III.
Complete la siguiente tabla haciendo las conversiones entre las escalas de temperatura correspientes.
Realice todos los cálculos en su cuaderno.
Celcius (°C)
Kelvin (K)
Fahrenheit (°F)
25
280
100
420
32
100
-5
68
303
10
215
-30
30
56
180
-40
DATOS
CALOR ESPECÍFICO
c
Material
[J/kg·°C]
4180
Metano
2060
Plata
2020
Plomo
903
Vidrio
376
Zinc
385
Material
Agua(liq)
Agua(sol)
Agua(gas)
Aluminio
Bronce
Cobre
c
[J/kg·°C]
2450
235
130
664
388
Material
Cobre
Plomo
Metanol
Plata
Agua
CALOR LATENTE
Lf
[J/kg]
5
2,05 x 10
2,04 x 104
4
1,15 x 10
4
1,04 x10
3,34 x 105
Lv
[J/kg]
6
5,07 x 10
8,64 x 105
5
8,78 x 10
2,36 x 106
2,26 x 106
RESULTADOS A LOS PROBLEMAS
1.
2.
3.
4.
-5
-1
α= 1,8 x10 °C
ΔL= 6,1 mm
Lf= 11,7 m
Vf= 356,24 cm3;
3
Vf= 354,80 cm ;
3
V= 1,44 cm
5. Vf= 43554 L
6. ΔV= 75,96 mm3
7. Q= 5400 J
8. Q= 1386 J
9. Q= 1017640 J
ó 1,017 MJ (Mega Joule)
10. ΔT=10°C;
ΔT=21,32°C
11. Q= 20340 J;
m= 243,30 g
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
Q= 16406,5 J
Q= 4515 J
c= 1003,2 J/kg °C
Q= 100320 J
Q= 1143,45 J
V= 0,87 L
c= 170,61 J/kg °C
Tf= 15,74°C
Tf=45°C
Tf=59,5°C
Tf=23°C
c= 840 J/kg °C
Tf= 62,8°C
Tf= 12,7°C
Tf= 25,1°C
27. Q= 105757 J;
t= 5,88 min
28. m= 15 kg
29. ΔT=29,39°C
30. h= 10 m
31. ΔT= 290,86°C
32. Q= 6,68 MJ
33. m= 4,4 kg.
34. Lv= 246750 J/kg
35. Q1= 135600 J; Q2=20064 J;
QCed= Q1+Q2= 155664 J
36. Q1= 412 J; Q2= 3340 J;
Q3= 4180 J; Q4= 22600 J;
QAbs= 30532 J
37. Tf= 35,6°C
¡TODO POR JESÚS!