Solucionario guía Calor I calor y temperatura

SOLUCIONARIO GUÍA
TÉCNICO PROFESIONAL
Calor I: calor y temperatura
SGUICTC009TC32-A16V1
Solucionario guía
Calor I: calor y temperatura
Ítem
Alternativa
Habilidad
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
D
C
B
D
C
B
E
C
C
D
E
B
E
A
D
C
D
B
E
C
Aplicación
Reconocimiento
Aplicación
Comprensión
Aplicación
Reconocimiento
Reconocimiento
Comprensión
Aplicación
Reconocimiento
Comprensión
Aplicación
ASE
Aplicación
Aplicación
ASE
Comprensión
ASE
Comprensión
Aplicación
Ítem
Alternativa
1
D
Defensa
Debido a que el líquido se encuentra a una temperatura
desconocida, dicha temperatura expresada en la escala Celsius
podría ser positiva o negativa.
Por definición, la menor temperatura en la escala kelvin es el 0,
por lo que en esta escala no existen valores negativos. Luego,
cualquier temperatura expresada en la escala kelvin siempre es
positiva.
Como la expresión que relaciona las escalas de temperatura
kelvin y Celsius es TK  TC  273 , para cualquier valor de
temperatura en la escala Celsius, el valor equivalente en la escala
kelvin siempre es mayor en 273 unidades.
Por lo tanto:
I) Falso
II) Verdadero
III) Verdadero
2
C
A nivel del mar, el punto de fusión del hielo es 0 [ºC], mientras que
en la escala kelvin corresponde a 273 [K].
Recuerda, algunas equivalencias importantes entre las escalas
Celsius y kelvin son:
0 [K] = - 273 [ºC] (cero absoluto)
273 [K] = 0 [ºC] (punto de congelamiento del agua a nivel del mar)
373 [K] = 100 [ºC] (punto de ebullición del agua a nivel del mar)
3
B
La expresión que relaciona las escalas de temperatura kelvin y
Celsius es la siguiente.
TK  TC  273
Así, convirtiendo las temperaturas Celsius en kelvin, y calculando
la variación entre la mínima y la máxima, obtenemos:
10 º C   TK  10  273  283 K  
  ΔT  305  K  - 283 K   22  K 
32 º C   TK  32  273  305  K 
Por otra parte, ¿qué resultado obtendremos si calculamos la
variación entre la temperatura máxima y mínima, pero en grados
Celsius, es decir, sin hacer la conversión a kelvin? Veamos.
32[º C ] 10[º C ]  22[º C ]
Es decir, ¡la variación de temperatura en grados Celsius es igual a
la variación de temperatura en kelvin! ¿Es esto una coincidencia?
No, no se trata de una coincidencia; esto es así porque un grado
Celsius y un kelvin son térmicamente equivalentes, es decir,
representan la misma variación de temperatura. Luego, al
expresar una variación de temperatura, no importa si lo hacemos
en grados Celsius o en kelvin, pues el valor numérico será el
mismo en ambos casos. Ten cuidado, eso sí, de no mezclar
temperaturas expresadas en distintas escalas; las temperaturas
deben estar expresadas en una misma escala termométrica.
4
D
En general, al aumentar la temperatura de un líquido cualquiera
este aumenta su volumen (se dilata), a excepción del agua entre
los 0 [ºC] y 4 [ºC], que se contrae.
Por otra parte, ya sea que al ser calentado (a presión atmosférica
constante) un líquido se dilate o se contraiga, siempre varía su
volumen.
Por lo tanto, la alternativa correcta es la D.
5
C
6
B
7
E
La definición corresponde al concepto de temperatura.
En esta pregunta nos piden reconocer la forma de transmisión del
calor en un alambre.
Para responderla, debemos recordar que el calor se puede
transmitir de tres formas: por conducción, por convección y por
radiación.
La transmisión del calor en los sólidos se produce por conducción.
Por lo tanto, en el alambre, esta es la forma en que se propaga el
calor.
La transmisión del calor por convección es exclusiva de líquidos y
gases (fluidos), mediante corrientes cálidas ascendentes y frías
descendentes.
Para que se produzca se requiere de una fuente de calor y de un
medio material (fluido).
Por lo tanto:
I) Verdadero
II) Verdadero
III) Verdadero
8
C
En esta situación el calor se transmite principalmente por
radiación pues, por ser un lugar abierto (los jóvenes se encuentran
sentados en la playa, frente al mar), el aire cercano a la fogata se
eleva debido a las corrientes de convección y, por lo tanto, no
llega hasta los jóvenes, que se encuentran alrededor del fuego.
Como no existe un medio sólido entre los jóvenes y la fogata, el
calor no llega a ellos por conducción.
Por lo tanto:
I) Falso
II) Falso
III) Verdadero
9
C
Recordemos que la expresión que relaciona las escalas de
temperatura kelvin y Celsius es la siguiente: TK  TC  273
Así, tenemos que
100  º C   TK  100  273  373 K 
Luego, R = 373 [K].
De la expresión anterior podemos despejar la temperatura
Celsius, en función de la kelvin, con lo cual nos queda:
TC  TK  273
Así, tenemos que
0[ K ]  TC  0  273  273[º C ]
Por lo tanto, S = - 273 [ºC]
Por último, la expresión que relaciona las escalas de temperatura
9
5
Celsius y Fahrenheit es la siguiente: TF  TC  32
Así, tenemos que
9
0  º C   TF   0  32  32  º F 
5
Por lo que, T = 32 [ºF]
Por lo tanto, la alternativa correcta es la C.
Recuerda, algunas relaciones importantes entre las escalas
termométricas son las siguientes:
373 [K] = 100 [ºC] = 212 [ºF] (punto de ebullición del agua a nivel
del mar)
273 [K] = 0 [ºC] = 32 [ºF] (punto de congelamiento del agua a nivel
del mar)
0 [K] = - 273 [ºC] = - 460 [ºF] (cero absoluto)
10
D
Cuando un cuerpo es sometido a una variación de temperatura,
experimenta un cambio en su tamaño. La magnitud de este
cambio depende del coeficiente de dilatación del cuerpo, del
tamaño inicial que tenga y de la variación de temperatura que
experimente.
Por ejemplo, si la dilatación es lineal, la expresión que la define es
ΔL  L0  α  ΔT
La temperatura a la que inicialmente se encuentre el cuerpo no
tiene mayor importancia, pues para determinar su dilatación solo
importa la “variación” de temperatura que experimente.
Por lo tanto:
I) Verdadero
II) Falso
III) Verdadero
11
E
La expresión que relaciona las escalas de temperatura kelvin y
Celsius es TK  TC  273 . Por lo tanto, el valor en la escala kelvin
siempre será 273 unidades mayor a su correspondiente valor en la
escala Celsius.
Por definición, la menor temperatura en la escala kelvin es el 0,
por lo que en esta escala no existen valores negativos de
temperatura.
La expresión que relaciona las escalas de temperatura Celsius y
Fahrenheit es la siguiente
9
TF  TC  32  TF  1,8  TC  32
5
lo que indica que una variación de temperatura en 10 grados
Celsius involucra una variación de temperatura de 18 grados
Fahrenheit. Por ejemplo, si un cuerpo se encuentra inicialmente a
10 [ºC] y se aumenta su temperatura hasta los 20 [ºC], la variación
en la escala Fahrenheit es:
9

10 º C   TF  10  32  50  º F  

5

9
20 º C   TF   20  32  68  º F 

5

 ΔTF  68  º F  - 50  º F   18  º F 
Por lo tanto:
I) Verdadero
II) Verdadero
III) Verdadero
12
B
La teoría cinética molecular plantea que los cuerpos están
formados por partículas que vibran constantemente. Así, la
temperatura es una medida de la energía cinética promedio que
poseen las partículas de un cuerpo; mientras mayor sea la
vibración de sus partículas, mayor será la temperatura del cuerpo,
y viceversa. Esto quiere decir que, en el cero kelvin, o cero
absoluto, las partículas de un cuerpo tendrán un nivel mínimo de
energía.
Por lo tanto:
I) Verdadero
II) Verdadero
III) Falso
13
E
Este ítem evalúa el procesamiento e interpretación de datos y
formulación de explicaciones, apoyándose en los conceptos y
modelos teóricos, lo cual corresponde a una de las habilidades del
pensamiento científico.
En esta pregunta se tiene una caja de determinadas dimensiones
y hecha de un cierto material, completamente llena con esferas,
idénticas entre sí y hechas del mismo material de la caja. Se pide
indicar el número de esferas que podrán ser añadidas a la caja,
una vez que el conjunto (caja llena de esferas) sea calentado y
experimente dilatación térmica.
Para llegar a la respuesta correcta debemos analizar la situación,
apoyándonos en los conceptos y modelos teóricos vistos en clase.
Por un lado, al ser calentada la caja experimenta dilatación
térmica, aumentando sus dimensiones y, por lo tanto, su volumen
interior. De acuerdo al enunciado, es posible establecer que el
grado de dilatación que experimenta la caja depende de su
volumen inicial, del tipo de material con el cual está hecha
(relacionado con el coeficiente de dilatación lineal) y de la
variación de temperatura a la cual haya sido sometida.
Por otra parte, ¿cuánto se dilatarán las esferas que contiene la
caja? El grado de dilatación que experimentan las esferas
depende de los mismos factores de los que depende la dilatación
de la caja: volumen inicial, material y variación de temperatura.
Analicemos entonces estos tres factores.
Respecto del material, tanto la caja como las esferas están
hechas del mismo material.
Respecto de la variación de temperatura, tanto la caja como las
esferas fueron sometidas a la misma variación de temperatura,
pues fueron calentados como conjunto dentro del horno.
Respecto del volumen inicial, al encontrarse la caja
completamente llena con las esferas, el volumen inicial de la caja
es, aproximadamente, el mismo volumen inicial de las esferas.
Fíjate en la siguiente imagen.
Así, siendo el material, el volumen inicial y la variación de
temperatura experimentada por la caja y las esferas los mismos,
ambos (caja y esferas) experimentan la misma dilatación y, por
consiguiente, registran el mismo aumento de volumen. Por lo
tanto, después de ser sacada del horno, la caja sigue
completamente llena con las esferas, sin que haya espacio para
colocar ninguna más.
Por este motivo, la alternativa correcta es la E.
14
A
El calor es energía en tránsito, que fluye de manera espontánea
desde un lugar (o cuerpo) hacia otro de menor temperatura. La
masa de los cuerpos involucrados no tiene incidencia en la
transmisión del calor.
La unidad de medida del calor en el S.I. es el joule, y en el
Sistema Cegesimal es el ergio.
Por lo tanto:
I) Falso
II) Verdadero
III) Falso
15
D
Un cuerpo, al ser sometido a una variación de temperatura,
experimenta un cambio en su tamaño. La magnitud de este
cambio depende de las características propias del material, del
tamaño inicial del cuerpo y de la variación de temperatura que
experimente.
Considerando que el frasco es un cuerpo volumétrico, la dilatación
que experimenta el mercurio es
1
  0,18 103 º C  

V0  1.000 cm3    ΔV  V0    ΔT  1.000  0,18 103 100  18 cm3 

ΔT  100 º C 

Así, la respuesta correcta es la D.
Pero, ¿por qué se derraman solo 15 [cm3] de mercurio?
La respuesta es que no solo el mercurio se dilata, el frasco que lo
contiene también; en este caso, el frasco se dilata 3 [cm3],
permitiendo que se derramen solo 15 [cm3] de los 18 [cm3] de
mercurio dilatado.
16
C
Recordemos que la dilatación volumétrica se expresa como
ΔV  V0    ΔT
Como el líquido y el recipiente poseen volúmenes V0 iguales
(pues el líquido llena completamente el recipiente), y son
sometidos a la misma variación de temperatura T , la dilatación
que experimentan solo se diferencia por el valor de sus
coeficientes de dilatación volumétrica  . Luego, comparamos
ambos coeficientes.
Coeficiente de dilatación volumétrica del líquido:
 líquido  6,9 105  º C 
1
Coeficiente de dilatación volumétrica del recipiente (recuerda que
el valor del coeficiente de dilatación volumétrica  es el triple que
el del coeficiente de dilatación lineal α):
 recipiente  3   recipiente  3  2,3 105  º C   6,9 105  º C 
1
1
Luego, como ambos coeficientes de dilatación son iguales, el
líquido se dilata lo mismo que el recipiente.
17
D
La transmisión del calor en elementos sólidos se produce por
conducción. Luego, el calor se transmite por una barra de metal, y
fluye a través de un trozo de mantequilla sólida al ser fundido, por
conducción.
La transmisión del calor por convección es exclusiva de líquidos y
gases, mediante corrientes de fluido cálidas ascendentes y frías
descendentes. Al soplar una taza de café se incrementa la rapidez
del flujo de calor entre la superficie del líquido y la capa de aire
inmediatamente sobre ella, favoreciendo el enfriamiento del
líquido por convección.
Por lo tanto:
I) Verdadero
II) Falso
III) Verdadero
18
B
Cuando un recipiente de vidrio común experimenta un cambio
brusco de temperatura (como sucede, por ejemplo, al llenar con
agua hirviendo un vaso de vidrio a temperatura ambiente) se
produce una brusca dilatación en la superficie interior del vaso (y
no así en la exterior), que genera esfuerzos internos que el
material no puede soportar, quebrándose.
El vidrio Pyrex, en cambio, posee un coeficiente de dilatación
lineal muy pequeño, comparado con el del vidrio común. Tal
característica permite que, al verter un líquido muy caliente (o muy
frío) en un recipiente de este material, la brusca dilatación (o
contracción) producida en la superficie interior del recipiente sea
mínima, generando esfuerzos internos menores, que el vidrio
logra soportar sin quebrarse.
Así, la respuesta correcta es la B.
19
E
El estanque y la bencina se dilatan por efecto del aumento de
temperatura experimentado por el automóvil.
La dilatación del líquido es mayor que la del estanque, ya que la
bencina se derrama.
Recordando que la dilatación volumétrica se expresa como
ΔV  V0    ΔT , y como los volúmenes iniciales V0 y la variación de
temperatura T que experimentaron el estanque y la bencina son
iguales, si la bencina se dilató más, es porque su coeficiente de
dilatación volumétrico  es mayor que el del estanque.
Por lo tanto:
I) Verdadero
II) Verdadero
III) Verdadero
20
C
Para saber qué sucede con la barra al someterla a un aumento de
temperatura, podemos comparar los coeficientes de dilatación
lineal de los metales que la componen; el coeficiente de dilatación
lineal del metal 1 es 12 105[º C ]1 , y el del metal 2 es
7,5 105 [º C ]1 , pues corresponde a la mitad del coeficiente de
dilatación superficial, que es el dato que se entrega en el
encabezado del ejercicio.
Por lo tanto, para una misma variación de temperatura, la lámina
metálica 1 se expandirá más que la 2, por lo que la barra se
curvará y el extremo B bajará.