8 Transferencias de energı´a: el calor

ACTIVIDADES DE REFUERZO
8
Transferencias de energı́a: el calor
1.
¿Qué es la energı́a interna y de qué factores depende?
2.
¿Por qué, desde el punto de vista cientı́fico, no tiene sentido hablar de temperaturas negativas?
3.
Se fabrican dos termómetros, uno de mercurio y otro de alcohol. Los colocamos juntos en una habitación.
a) ¿Marcan los dos la misma temperatura?
b) La longitud de la columna de mercurio, ¿es la misma que la del alcohol?
4.
Suministramos 5 000 calorı́as a un gas de forma que este realiza un trabajo de 3 500 J.
a) Indica el signo que tienen estas dos magnitudes.
b) Calcula la variación de energı́a interna del gas.
c) A la vista del valor de la variación de la energı́a interna del gas, su temperatura ¿aumenta o disminuye?
5.
¿Qué cantidad de calor hay que transferir a 2,5 kg de aluminio, inicialmente a 15 ⬚C, para que aumente su
temperatura hasta los 150 ⬚C?
Dato: Calor especı́fico del aluminio ⫽ 896 J/kgK
6.
Una bala de plata de 25 g se dispara contra una plancha de acero impactando a la velocidad de 150 m/s.
a) Calcula la energı́a cinética de la bala.
b) Si toda la energı́a cinética se transforma en energı́a interna de la propia bala, ¿cuánto aumenta la temperatura
de la bala?
Dato: Calor especı́fico de la plata ⫽ 239 J/kgK
7.
Un baño para un niño contiene 20 L de agua a 50 ⬚C. ¿Qué cantidad de agua a 20 ⬚C hay que añadir para que
la temperatura del agua sea de 30 ⬚C?
Dato: Calor especı́fico del agua ⫽ 4 180 J/kg⬚C
8.
En un vaso que contiene 250 cm3 de agua a 20 ⬚C, se introducen 20 g de hielo a ⫺5 ⬚C. Sabiendo que todo el
hielo se funde, calcula la temperatura final del agua.
Datos: Temperatura de fusión del hielo ⫽ 0 ⬚C; calor especı́fico del hielo ⫽ 0,5 cal/g⬚C;
calor especı́fico del agua ⫽ 1 cal/g⬚C; calor latente de fusión del hielo ⫽ 80 cal/g.
9.
La caldera de una máquina trabaja suministrando 3 600 cal y cediendo al refrigerante 9 000 J. Calcula:
a) El trabajo desarrollado por la máquina.
b) El rendimiento.
Proyecto Ecosfera Fı́sica y Quı́mica 4.o ESO
Actividades de refuerzo
SOLUCIONES
1.
La energı́a interna es la suma de las energı́as cinéticas y potenciales de las partı́culas de un sistema. Depende
de la cantidad de sustancia, del tipo de sustancia y de la temperatura.
2.
La temperatura de un sistema es proporcional a la energı́a cinética media de sus partı́culas; como esta magnitud
es positiva, no tiene sentido hablar de temperaturas negativas.
3.
a) Sı́, los dos marcan la misma temperatura.
b) No, el mercurio y el alcohol se dilatan de distinta manera, de forma que las columnas deben tener distinta
longitud.
4.
a) Q ⫽ ⫹5 000 cal ⫽ ⫹20 900 J; T ⫽ ⫺3 500 J
b) ⌬U ⫽ Q ⫹ T ⫽ 20 900 (J) ⫺ 3 500 (J) ⫽ 17 400 J
c) La variación de energı́a interna es positiva, por tanto, la temperatura del gas aumenta.
5.
Q ⫽ mce⌬T ⫽ 2,5 (kg) · 896 (J/kgK) · 135⬚ ⫽ 302 400 J
6.
a) Ec ⫽
1
mv2 ⫽ 0,5 · 0,025 (kg) · 1502 (m/s)2 ⫽ 281,25 J
2
b) ⌬T ⫽
Q
281,25 (J)
⫽
⫽ 47,1⬚
mce
0,025 (kg) · 239 (J/kgK)
7.
La cantidad de calor que el agua caliente debe ceder es:
Qc ⫽ mcce⌬T ⫽ 20 (kg) · 4 180 (J/kg⬚C) · (50 ⫺ 30) (⬚C) ⫽ ⫺1 672 000 J
La cantidad de calor que absorbe el agua frı́a es:
Qa ⫽ mfce⌬T ⫽ mf · 4 180 (J/kg⬚C) · (30 ⫺ 20) (⬚C) ⫽ 41 800 mf J
En el equilibrio Qc ⫹ Qa ⫽ 0; por tanto:
41 800 mf ⫽ 1 672 000
8.
mf ⫽ 40 kg ⫽ 40 L de agua
El calor cedido por el agua caliente es: Qc ⫽ mcce⌬T ⫽ 250 (g) · 1 (cal/g⬚C) · (T ⫺ 20) (⬚C) ⫽ 250 · (T ⫺ 20)
El calor absorbido por el hielo será: Qa ⫽ Q1 ⫹ Q2 ⫹ Q3, donde:
Q1 es el calor necesario para aumentar la temperatura del hielo hasta 0 ⬚C:
Q1 ⫽ mhce⌬T ⫽ 20 (g) · 0,5 (cal/g⬚C) · (0 ⫺ (⫺5)) (⬚C) ⫽ 50 cal
Q2 es el calor necesario para fundir el hielo:
Q2 ⫽ mhLf ⫽ 20 (g) · 80 (cal/g) ⫽ 1 600 cal
Q3 es el calor necesario para elevar la temperatura del agua desde 0 ⬚C hasta la temperatura de equilibrio:
Q3 ⫽ mcce⌬T ⫽ 20 (g) · 1 (cal/g⬚C) · (T ⫺ 0) (⬚C) ⫽ 20 T
En el equilibrio Qc ⫹ Qa ⫽ 0; por tanto:
250 (T ⫺ 20) ⫹ 50 ⫹ 1 600 ⫹ 20 T ⫽ 0
9.
T ⫽ 12,4 ⬚C
a) El trabajo es: T ⫽ Qa ⫺ Qc ⫽ 3 600 (cal) · 4,18 (J/cal) ⫺ 9 000 (J) ⫽ 6 048 J
b) El rendimiento es:
␩⫽
T
6 048 (J)
· 100 ⫽
· 100 ⫽ 40,2 %
Qa
15 048 (J)
Actividades de refuerzo
Proyecto Ecosfera Fı́sica y Quı́mica 4.o ESO