Guía Calor II mezclas y cambios de fase

l
a
n
o
i
s
fe
o
r
P
o
c
i
n
c
é
T
ma
a
r
g
o
r
P
FÍ SIC A
Calor II: mezclas y cambios de fase
Nº
Ejercicios PSU
1.
Un grupo de alumnos desea medir el tiempo que demora en evaporarse por completo una masa
MC de 100 gramos de agua a 20 [ºC], para lo cual diseñan y realizan una experiencia práctica en el
laboratorio, registrando los diferentes pasos seguidos. Lamentablemente, el alumno encargado
de anotar las observaciones no las registra todas y, además, lo hace de forma desordenada.
Las siguientes afirmaciones corresponden a las observaciones anotadas por el distraído alumno
durante la experiencia.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
“100 gramos de agua demoran 15 minutos en evaporarse completamente”.
“Se detiene el cronómetro y se registra el tiempo”.
“Se coloca el recipiente con agua sobre la llama del mechero”.
“La temperatura inicial del agua es de 20 [°C]”.
“Se comienza a medir el tiempo con el cronómetro”.
“Se evapora completamente el agua”.
Considerando que los alumnos siguieron estrictamente el orden de las etapas del método
científico, y que el registro anterior no contiene todos los pasos seguidos, ¿cuál de las siguientes
alternativas muestra la secuencia correcta en la que los alumnos realizaron su experimento?
1-2-3-4-5-6
4-3-5-6-2-1
5-4-3-6-2-1
1-4-5-3-6-2
1-4-3-5-6-2
GUICTC010TC32-A16V1
A)
B)
C)
D)
E)
Cpech
1
FÍSICA
2.
Un día muy frío de invierno la casa de Alberto se encontraba agradablemente tibia, debido al
MC funcionamiento de una estufa. En cierto momento Alberto sale de su casa por unos minutos,
dejando la puerta de entrada completamente abierta; al volver, se percata de que su casa ya no
se encuentra tibia y que está tan fría como lo está el exterior. Con respecto al motivo por el cual
la casa de Alberto se enfrió, es correcto afirmar que
A)
B)
C)
D)
E)
al dejar la puerta abierta entró el frío del exterior a la casa, enfriándola hasta que las
temperaturas en el interior y el exterior se igualaron.
disminuyó la capacidad calórica de la casa e igualó la capacidad calórica del ambiente, por
lo que disminuyó la temperatura en su interior.
la estufa era muy pequeña, por lo cual el calor escapó por la puerta hacia el exterior; si la
estufa hubiera sido de mayor tamaño, por equilibrio térmico, la casa se habría mantenido
tibia.
el calor específico del aire al interior de la casa disminuyó, igualándose al calor específico
del aire de la atmósfera helada.
el calor escapó por la puerta hacia la atmósfera, hasta que las temperaturas en el interior y
el exterior se igualaron. El tamaño de la estufa no tuvo importancia en el hecho.
3.
Considerando el punto de fusión del hielo en 0 [ºC] y el de ebullición del agua en 100 [ºC], es
MC correcto afirmar que es posible tener agua en estado líquido a
I)
II)
III)
0 [ºC]
100 [ºC]
120 [ºC]
A)
B)
C)
D)
E)
Solo I
Solo II
Solo III
Solo I y II
I, II y III
4.
En un experimento se tienen dos habitaciones idénticas que se encuentran a 15 [°C]. En una de
MC ellas hay un recipiente P, con 200 gramos de agua a 50 [°C]. En la otra habitación hay un recipiente
Q, con 200 gramos de agua a 20 [°C]. Considerando que el agua en ambos recipientes disminuyó
su temperatura de acuerdo a la ley de enfriamiento de Newton, ¿cuáles de los siguientes gráficos
de temperatura T, en función del tiempo t, corresponden a las curvas de enfriamiento correctas
del agua en los recipientes P y Q, respectivamente?
T [ºC]
T [ºC]
50
T [ºC]
T [ºC]
50
20
0
A)
B)
C)
2
2
Cpech
1y2
1y4
2y3
1)
t
15
0
15
2)
t
D)
E)
15
0
3y2
4y1
3)
t
0
4)
t
GUÍA
5.
Bajo determinadas condiciones, y en el interior de un recipiente herméticamente cerrado, se
MC aplica calor a un cuerpo que se encuentra en estado sólido logrando que sublime, es decir,
que pase al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Entre las características del estado
gaseoso está que el material puede fluir libremente, ocupando completamente el volumen que lo
contiene. Respecto de esta situación, ¿cuál de las siguientes alternativas es correcta?
A)
B)
C)
D)
E)
La cantidad de partículas del material aumentó después de experimentar sublimación.
La cantidad de partículas del material disminuyó después de experimentar sublimación.
La distancia entre las partículas del material aumentó después de la sublimación.
La distancia entre las partículas del material disminuyó después de la sublimación.
Las partículas del material cambiaron sus características químicas después de la sublimación.
6.
Max tiene tres cuerpos, A, B y C, a temperatura ambiente y del mismo material, pero de distinta
MTP masa. Durante un experimento los pone en el interior de un horno a temperatura constante, los
deja suficiente tiempo para que alcancen el equilibrio térmico y luego los saca. Al respecto, es
correcto afirmar que
I)
II)
III)
inmediatamente después de sacarlos, al medir la temperatura de los cuerpos simultáneamente
y con un mismo tipo de termómetro, los tres marcan lo mismo.
dentro del horno los cuerpos absorbieron la misma cantidad de calor.
encontrándose fuera del horno los cuerpos experimentan una disminución de su volumen.
A)
B)
C)
D)
E)
Solo I
Solo II
Solo III
Solo I y II
Solo I y III
7.
La figura muestra tres cubos metálicos idénticos, con temperaturas iniciales 2T, 6T y 10T,
MC respectivamente, cada uno aislado térmicamente de los demás.
A
B
C
2T
6T
10T
Si se ponen en contacto el cubo A con el cubo B, se separan, y luego se ponen en contacto el
cubo B con el C, ¿cuál es la temperatura final del cubo B, si todas las interacciones se produjeron
hasta alcanzar el equilibrio térmico y no existieron pérdidas de calor en el sistema?
A)
B)
C)
D)
E)
4T
6T
7T
8T
18T
Cpech
3
FÍSICA
8.
Para una determinada línea de producción, en una fábrica se encuentra la instalación que muestra
MTP la figura. En ella se ingresa agua líquida y se desarrollan tres procesos en las cámaras A, B y C,
respectivamente, los que se llevan a cabo en la dirección indicada por las flechas.
Agua
líquida
A
C
Hielo
Vapor
Agua
líquida
B
Si se sabe que en cada cámara se puede producir solo un cambio de fase, ¿cuál(es) de las
siguientes proposiciones es (son) correcta(s)?
I)
II)
III)
En la cámara A se le extrae calor al material.
En la cámara B se produce fusión.
En la cámara C se produce vaporización.
A)
B)
C)
D)
E)
Solo I
Solo I y II
Solo I y III
Solo II y III
I, II y III
cal
cal
y el calor específico del agua es 1 g ºC , ¿qué
g
MC cantidad de calor se debe suministrar a 100 [g] de hielo a 0 [ºC] para que se transformen en agua
9.
Si el calor latente de fusión del hielo es 80
a 20 [ºC]?
A)
B)
C)
D)
E)
4
4
Cpech
2.000 [cal]
8.000 [cal]
10.000 [cal]
12.000 [cal]
20.000 [cal]
GUÍA
10.
Un trozo de azufre de 200 [g] se encuentra a una temperatura de 119 [ºC]. Si se le suministran
MC 650 [cal] y el punto de fusión del azufre es 119 [ºC], ¿cuál es la cantidad de masa que se logra
fundir? (Considere que el azufre posee un calor latente de fusión de 13 cal).
g
A)
25 [g]
B)
50 [g]
C)
60 [g]
D) 100 [g]
E)
200 [g]
11. Para el problema anterior, la temperatura del azufre que permanece en estado sólido,
MC inmediatamente después del proceso de fusión, es
A)
B)
C)
D)
E)
100 [ºC]
113 [ºC]
119 [ºC]
130 [ºC]
132 [ºC]
12. Respecto del concepto de “calor específico”, se afirma que
MTP
I) es una propiedad de los cuerpos.
II) su valor depende de la masa del cuerpo.
III) es característica de cada material.
Es (son) correcta(s)
A)
B)
C)
D)
E)
solo I.
solo II.
solo III.
solo I y II.
solo II y III.
13. Un recipiente de capacidad térmica despreciable contiene 100 [g] de agua a una temperatura
MC de 20 [ºC]. Si al interior del mismo se vierten 200 [g] de agua a 80 [ºC], la temperatura final de la
mezcla es
A)
B)
C)
D)
E)
40 [ºC]
50 [ºC]
60 [ºC]
70 [ºC]
80 [ºC]
Cpech
5
FÍSICA
Enunciado para las preguntas 14, 15 y 16.
Una sustancia, inicialmente en fase líquida, recibe calor Q y su temperatura varía según el gráfico
adjunto. De acuerdo a la información contenida en el gráfico, conteste las siguientes preguntas.
T [ºC]
120
60
400
800
1.000
Q [cal]
14. La temperatura de ebullición del líquido es
MC
A)
60 [ºC]
B)
120 [ºC]
C)
400 [ºC]
D)
800 [ºC]
E)
1.000 [ºC]
15. La cantidad de calor que el líquido absorbió durante el cambio de fase es
MC
A)
60 [cal]
B)
120 [cal]
C)
400 [cal]
D)
800 [cal]
E)
1.000 [cal]
16. Sabiendo que la masa del líquido es 20 [g], su calor latente de vaporización es
MC
cal
A)
3
g
B)
C)
D)
E)
6
6
Cpech
6
cal
g
cal
g
cal
40
g
20
cal
50 g
GUÍA
17. Se tienen dos cuerpos, E y F, del mismo material, a la misma temperatura, y de masas tales que
MTP cumplen con la relación mF = 2mE. Respecto de lo anterior, es correcto afirmar que
I)
II)
III)
luego de aplicarles la misma cantidad de calor, la temperatura del cuerpo F es menor que la
del cuerpo E.
ambos cuerpos poseen la misma capacidad calórica.
el calor específico para ambos cuerpos es el mismo.
A)
B)
C)
D)
E)
Solo I
Solo I y II
Solo I y III
Solo II y III
I, II y III
18. Considerando para el agua a 1 atmósfera:
MTP
Calor latente de fusión: 80 cal
g
cal
Calor latente de vaporización: 540 g
Calor específico: 1 cal
g ºC
Es correcto afirmar que
I)
III)
para una determinada masa, y estando en su correspondiente punto crítico, se necesita
entregar una mayor cantidad de calor para transformar el hielo en agua que para transformar
el agua en vapor.
para que una masa de agua de 1 [g] eleve su temperatura en 1 [ºC], se requiere entregarle
1 [cal].
para que 1 [g] de agua líquida a 0 [ºC] se transforme en hielo, se requiere quitarle 80 [cal] .
A)
B)
C)
D)
E)
Solo I
Solo I y II
Solo I y III
Solo II y III
I, II y III
II)
Cpech
7
FÍSICA
19. Cierto material fue sometido a un proceso desconocido, durante el cual se obtuvo el siguiente
MC gráfico de comportamiento de la temperatura en el tiempo.
T [ºC]
Q
R
P
t0
t1
t2
t3
t4
t5
t [s]
Si se sabe que el material en todo momento estuvo absorbiendo o cediendo calor, es correcto
afirmar que
I)
II)
III)
entre t0 y t1 el material se encuentra completamente en estado sólido, y entre t3 y t4 permanece
completamente en estado líquido.
en t5 el material se encuentra en estado gaseoso.
el punto crítico de fusión del material es R [ºC].
A)
B)
C)
D)
E)
Solo I
Solo II
Solo III
Solo I y II
Solo II y III
20. Respecto de los diferentes procesos de cambio de fase, ¿cuál de las siguientes alternativas es
MTP INCORRECTA?
A)
B)
C)
D)
E)
8
8
Cpech
En el proceso de sublimación el material absorbe energía.
En general, al experimentar fusión la distancia relativa entre las partículas de un material
aumenta.
Durante la condensación el material absorbe energía.
Para experimentar solidificación el material debe encontrarse a una temperatura específica.
Un gas puede convertirse en un sólido sin pasar por el estado líquido.
GUÍA
Tabla de corrección
Ítem
Alternativa
Habilidad
1
Comprensión
2
Comprensión
3
Comprensión
4
Comprensión
5
Comprensión
6
Comprensión
7
Aplicación
8
Comprensión
9
Aplicación
10
Aplicación
11
Comprensión
12
Comprensión
13
Aplicación
14
Comprensión
15
Comprensión
16
Aplicación
17
Aplicación
18
Comprensión
19
ASE
20
Comprensión
Cpech
9
FÍSICA
Resumen de contenidos
Capacidad calórica: cantidad de calor que un cuerpo debe absorber o ceder para elevar o
disminuir, respectivamente, su temperatura en 1 [ºC].
Mientras mayor sea la capacidad calórica del cuerpo, más costará calentarlo o enfriarlo.
La capacidad calórica se designa por C, es característica de cada cuerpo y se calcula como
C=
Q
T
Calor específico: capacidad calórica por unidad de masa. Es característico de cada material y
se calcula como
Q
C
c=
=
Q=m c T
m T
m
Observación
El calor específico del agua es 1
cal
g ºC
Observación
Que un material tenga mayor calor específico que otro significa que,
para una misma cantidad de masa, necesita absorber más calor para
experimentar el mismo aumento de temperatura. De manera similar,
necesitará ceder una mayor cantidad de calor para disminuir su
temperatura en la misma cantidad, comparado con una sustancia de menor
calor específico.
Equilibrio térmico
Al aislar térmicamente dos cuerpos a distinta temperatura, fluirá calor desde el cuerpo más caliente
(quien cederá calor) hacia el cuerpo más frío (quien absorberá calor) hasta que sus temperaturas se
igualen; cuando esto suceda, el sistema se encontrará en equilibrio térmico.
Tº
calor
Cuerpo a mayor Tº
10
10
Cpech
Tº
Cuerpo a menor Tº
GUÍA
Ley de enfriamiento de Newton
La ley de enfriamiento de Newton expresa que “la
temperatura de un cuerpo cambia a una velocidad
proporcional a la diferencia de temperatura existente
entre el medio externo y el cuerpo”. Esto significa
que un cuerpo se irá enfriando (o calentando) cada vez
más lentamente, en la medida que su temperatura se
acerque más a la temperatura del ambiente.
Temperatura
Ti
T1
T2
T3
Ta
La curva de la gráfica muestra que, a medida que
transcurre el tiempo, la rapidez de enfriamiento del
cuerpo disminuye, pues la diferencia de temperatura
entre el cuerpo y el ambiente es cada vez menor.
Esta ley también es válida para el calentamiento del
cuerpo.
tiempo
t1 t2 t3
Donde Ti es la temperatura inicial del cuerpo y Ta es la
temperatura del ambiente.
Principio calorimétrico de mezclas
Al mezclar dos materiales a distinta temperatura en un sistema en donde el calor no pueda entrar
ni escaparse hacia el exterior (sistema adiabático), todo el calor cedido por el material a mayor
temperatura será completamente absorbido por aquel a menor temperatura, hasta alcanzar el
equilibrio térmico.
Q1 = m1 c1
Q2 = m2 c2
T1
T2
Qabsorbido = Qcedido
Qabsorbido + Qcedido = 0
m1 c1 (Teq T1) + m2 c2 (Teq T2) = 0
Cpech
11
FÍSICA
Cambios de fase
Absorben energía
Sublimación
Fusión
Vaporización
Sólido
Gaseoso
Líquido
Solidificación
Condensación
Sublimación inversa
Liberan energía
•
Leyes del cambio de fase – Calor latente de cambio de fase
1.
A una determinada presión atmosférica, los cuerpos solo pueden cambiar de fase a una
temperatura bien definida llamada “temperatura crítica” o “punto crítico”; en el caso del hielo,
por ejemplo, la temperatura a la cual logra fundirse, es decir, su punto crítico de fusión, es 0 [ºC].
2.
Estando en su punto crítico, para que cada gramo del material pueda cambiar de fase se debe
ceder o extraer una cantidad de calor Q por unidad de masa m, llamada calor latente de cambio
de fase “L”.
El calor latente de cambio de fase se expresa como L = ±
Q
m
3.
Durante un cambio de fase la temperatura del material permanece constante. Por ejemplo,
en el caso del hielo, al comenzar a fundirse se encuentra a 0 [ºC] y el agua que se obtendrá, una
vez que se haya fundido por completo, estará también a 0 [ºC], ya que durante todo el proceso de
fusión la temperatura se mantiene constante.
4.
El calor latente absorbido o liberado por un cuerpo al cambiar de fase es el mismo que requiere
liberar o absorber, respectivamente, para revertir dicho cambio.
Observación
El agua (a 1 atm)
Calor latente de fusión: 80 cal
g
Calor latente de vaporización: 540 cal
g
12
12
Cpech
GUÍA
bA
c
Glosario
to, y
la cantidad de materia en un obje
Masa: Magnitud física que expresa
gramo [kg].
el Sistema Internacional es el kilo
cuya unidad de medida en
ta a un cuerpo
sonido, se transmi
o, como por ejemplo el calor o el
Aislar: Impedir que un agente físic
arado de otras cosas.
o a un lugar. Dejar algo solo y sep
n químicamente,
entes unidos, sin que se combine
pon
com
más
o
dos
por
ado
Mezcla: Material form
una taza de café a la que
s ni características. Por ejemplo,
ade
pied
pro
sus
den
pier
no
s
por lo que esto
“café dulce”.
se le adiciona azúcar, quedando
a lo
o estudio en particular, par
o que se considera para un análisis
Sistema: Porción del universo físic
erso, de forma real o imaginaria.
cual se la separa del resto del univ
re
ejerce el aire de la atmósfera sob
o (por unidad de superficie) que
Presión atmosférica: Es el pes
.
todos los objetos inmersos en ella
Cpech
13
FÍSICA
Mis apuntes
14
14
Cpech
GUÍA
Mis apuntes
Cpech
15
Registro de propiedad intelectual de Cpech.
Prohibida su reproducción total o parcial.