Calorimetría - virtual.chapingo.mx

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA CHAPINGO
DPTO. DE PREPARATORIA AGRÍCOLA
ÁREA DE FÍSICA.
CALORIMETRÍA
TEORÍA
DEFINA LOS SIGUIENTES CONCEPTOS
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Calor.
Calor Específico.
Capacidad Calorífica.
Calor latente de fusión, vaporización, sublimación, condensación, solidificación.
Transferencia de calor por Conducción, Convección y Radiación.
Energía Térmica.
Energía Interna.
Trabajo efectuado por un sistema.
Primera Ley de la Termodinámica.
Proceso Isocórico, Isobárico, Isotérmico y Adiabático.
Segunda ley de la Termodinámica.
PROBLEMAS
CALORIMETRÍA
1. ¿Cuántas calorías son necesarias para calentar de 15 0C a 65 0C cada una de las
siguientes sustancias? (a) 3 g de aluminio, (b) 5 g de vidrio pirex, (c) 20 g de platino. El
calor específico del aluminio, vidrio pirex y platino es de 0.21, 0.20 y 0.032,
respectivamente. Sol. (a) 31.5 cal; (b) 50 cal y (c) 32 cal.
2. Cuando 5 g de un tipo de carbón son quemados y la temperatura de 1000 ml de agua
se incrementa de 10 0C a 47 0C. Determínese el calor producido por cada gramo de
carbón.
Sol. 7.4 kcal/g.
3. ¿Cuál es la temperatura final si a 50 g de agua a 0 0C se le agregan 250 g de agua a
90 0C?
Sol. 75 0C
4. Una pieza de metal de 50 g a 95 0C, se deja caer dentro de 250 g de agua a 17 0C y su
temperatura se incrementa hasta 19.4 0C. ¿Cuál es el calor específico del metal?
Sol. 0.1587 cal/g 0C
5. Un calorímetro de cobre de 55 g (c=0.093 cal/g 0C) contiene 250 g de agua a 18 0C.
Cuando se dejan caer dentro del calorímetro de 75 g de una aleación a 100 0C, la
temperatura final es de 20.4 0C. ¿Cuál es el calor específico de la aleación? Sol. 0.102
cal/gr 0C
6. Determínese la temperatura final de la mezcla de 1 kg de hielo a 0 0C con 9 kg de agua
a 90 0C? Sol. 73 0C.
7. ¿Cuánto calor es necesario para cambiar 250 g de hielo a 0 0C a vapor a 100 0C?
Sol. 180 kcal.
8. Determínese el resultado final cuando en un calorímetro cuyo equivalente en agua es
de 50 g, se tienen 300 g de agua y 50 g de hielo a 0 0C y se hacen pasar 200 g de
vapor dentro de él. Sol. 81.48 g de vapor condensado y 100 0C de temperatura final.
1
9. Determínese el resultado final de la mezcla de 10 g de vapor con 400 g de agua y 100
g de hielo contenidos en un calorímetro cuyo equivalente en agua es de 50g. Sol. 80 g
de hielo se funden con 0 0C de temperatura final.
TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONDUCCIÓN Y POR RADIACIÓN
10.
¿Cuánto calor fluirá hacia afuera de una ventana de 80 cm por 40 cm por 3 mm.
Cada hora, en un día en el cual la temperatura exterior fuera de 0 0C y la del interior e
18 0C? Para el vidrio, k es 0.84 W/K m. Sol 1 612.8 W.
11.
¿Cuántos gramos de agua a 100 0C se puede evaporar por hora por cm2 debido al
calor transmitido a través de una placa de acero de 0.2 cm de espesor, si la diferencia
de temperaturas entre las caras de la placa es de 100 0C? Para el acero k=42 W/K m.
Sol. 334 g/h cm2
12.
Una placa de bronce de 2 cm de espesor (k=105 W/K m) está pegada a una hoja
de vidrio (k=0.8 W/K m). Ambas tienen la misma área. La cara expuesta de la placa de
bronce está a 80 0C, mientras qua la cara expuesta de la placa de vidrio está a 20 0C.
¿Cuál es el espesor del vidrio si la temperatura en la interface vidrio-bronce está a 65
0
C?
Sol. 0.457 mm.
13.
Un agujero pequeño en un horno actúa como un cuerpo negro. Su área es de 1
cm2 y su temperatura es la misma que la del interior del horno, 1727 0C. ¿Cuántas
caloría se radían hacia afuera del agujero en cada segundo? Sol. 21.7 cal/s.
14.
El filamento de una lámpara incandescente tiene un área de 50 mm2 y opera a una
temperatura de 2127 0C. Si la emisividad del filamento es de 0.83, ¿cuál es la cantidad
de calor que radía el filamento por segundo? Sol. 48 W.
15.
Una esfera de 3 cm de radio actúa como un cuerpo negro. Está en equilibrio con
sus alrededores y absorbe 30 kW de la potencia radiada por los alrededores. ¿Cuál es
la temperatura de la esfera?
Sol. 2615.86 K
PRIMERA Y SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
16.
En cierto proceso, 8000 cal son administradas a un sistema mientras este efectúa
un trabajo de 6000 J. ¿En cuánto cambió la energía interna del sistema durante el
proceso? Sol. 27.44 kJ.
17.
El calor específico del agua es de 4184 J/Kg K ¿En cuántos Joules cambia la
energía interna de 500 g de agua cuando se calienta desde 20 0C hasta 70 0C? Sol.
104.5 kJ.
18.
Un bloque metálico de 2 kg (c = 0.137 cal/g C) se calienta de 15 0C a 90 0C. ¿En
cuánto cambió su energía interna? Desprecie el pequeño cambio en el volumen del
bloque.
Sol. 85.899 kJ.
19.
¿En cuanto cambia la energía interna de 50 g de aceite (c = 0.32 cal/g 0C) cuando
el aceite se enfría de 100 0C a 25 0C? Desprecie el pequeño cambio en el volumen del
aceite.
Sol. -1.2 kcal=-5.016 .kJ.
20.
Un sistema recibe 500 cal y realiza un trabajo de 200 J. ¿Cuál es el cambio en la
energía interna del sistema? Sol. 452.15 cal.
21.
Un sistema cede 500 cal y realiza un trabajo de 200 J. ¿Cuál es el cambio en la
energía interna del sistema? Sol. -547.84 cal=-2290 J.
22.
Un sistema recibe 500 cal y se realiza un trabajo sobre el sistema de 200 J. ¿Cuál
es el cambio en la energía interna del sistema? Sol. 547.84 cal=2290 J.
23.
Un sistema cede 500 cal y se realiza un trabajo sobre el sistema 200 J. ¿Cuál es el
cambio en la energía interna del sistema? Sol. -452.15 cal=-1890 J.
2
24.
Si una cierta masa de agua cae una distancia de 854 m y se supone que toda la
energía se aprovecha para calentar el agua. ¿cuál sería el incremento en la
temperatura del líquido? Sol. 2.0 0C.
25.
¿Cuánto trabajo externo realiza un gas ideal cuando se expande de un volumen de
3 litros a uno de 30 litros contra una presión constante de una atmósfera.
Sol. 5.45
kJ.
26.
Encuentre el trabajo y el cambio en la energía interna de un cubo de cobre de 10
cm de lado, cuando se calienta de 0 0C hasta 200 0C. Para el cobre, el calor específico
es de cCu=0.093 cal/0C gr y el coeficiente de dilatación lineal es de α=1.7 x 10-5 0C-1. La
masa del cubo es de 8 300 grs. Sol. W=1.033 J, Q=154 380 cal y U=154 379.75 cal.
27.
Un gas ideal ocupa 3 litros a una temperatura de 27 0C y 2 atmósferas de presión.
Si se mantiene constante la presión, ¿cuánto trabajo realiza el gas cuando su
temperatura cambia de 27 0C a 227 0C? Sol. W=405.2 J.
28.
El agua hierve a 100 0C y 1 atm de presión. Para estas condiciones un gramo de
agua ocupa un centímetro cúbico y un gramo de vapor ocupa 1670 cm3 y el calor
latente de vaporización es de 540 cal /gr. Encuentre (a) el trabajo externo efectuado
cuando se forma un gramo de vapor a 100 0C y (b) el incremento en la energía interna.
Sol. (a) 169 J=40.43 cal y (b) 2088 J=500 cal.
29.
La temperatura de 3 kg de kriptón gaseoso se eleva de -20 0C a 80 0C. Si esto se
hace a volumen constante, calcule el calor suministrado, el trabajo desarrollado y el
cambio en la energía interna. El calor específico del gas es de 0.035 cal/ 0C gr.
Sol. Q=10.7 kcal, W=0 y U=10.7 kcal.
30.
El diagrama P-V que se muestra en la figura, se presenta el ciclo de un gas en un
sistema de pistón-cilindro. ¿Cuál es el trabajo realizado por el gas en cada proceso del
ciclo?
Presión (Pa)
A
B
8x105
D
3x105
C
2
V (cm3)
7
31.
El diagrama P-V que se muestra en la figura, se presenta el ciclo de un gas en un
sistema de pistón-cilindro. ¿Cuál es el trabajo realizado por el gas en cada proceso del
ciclo?
Presión (Pa)
A
12x105
3
8x10
5
B
Elaboró: Dr. Guillermo Becerra Córdova
4