Solucionario guía Calor II mezclas y cambios de fase

SOLUCIONARIO GUÍA
TÉCNICO PROFESIONAL
Calor II: mezclas y cambios
de fase
SGUICTC010TC32-A16V1
Solucionario guía
Calor II: mezclas y cambios de fase
Ítem
Alternativa
Habilidad
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
B
E
D
C
C
E
C
A
C
B
C
C
C
A
C
C
C
D
B
C
Comprensión
Comprensión
Comprensión
Comprensión
Comprensión
Comprensión
Aplicación
Comprensión
Aplicación
Aplicación
Comprensión
Comprensión
Aplicación
Comprensión
Comprensión
Aplicación
Aplicación
Comprensión
ASE
Comprensión
Ítem
Alternativa
1
B
Defensa
Considerando el objetivo planteado para la experiencia llevada a
cabo por los alumnos, el orden correcto de los pasos anotados en
el registro de experimentación es:
4. “La temperatura inicial del agua es 20 [ºC].”
3. “Se coloca el recipiente con agua sobre la llama del mechero.”
5. “Se comienza a medir el tiempo con el cronómetro.”
6. “Se evapora completamente el agua.”
2. “Se detiene el cronómetro y se registra el tiempo.”
1. “100 gramos de agua demoran 15 minutos en evaporarse
completamente.”
Por lo tanto, la alternativa correcta es la B.
2
E
3
D
El calor es energía en tránsito, que fluye desde un lugar más
caliente hacia otro más frío, hasta que las temperaturas de ambos
lugares se igualan, es decir, hasta que se alcanza el equilibrio
térmico.
Al dejar la puerta abierta, el calor del interior de la casa de Alberto
fluyó hacia la atmósfera fría, hasta que las temperaturas se
igualaron. El tamaño de la estufa no tiene importancia, pues el
flujo de calor hacia la atmósfera se producirá mientras la puerta de
la casa se encuentra abierta; la atmósfera es un “foco térmico”,
por lo que puede absorber todo el calor que podamos generar, sin
que su temperatura experimente variación.
El agua puede estar en estado sólido y/o líquido a 0 [ºC], y en
estado líquido y/o gaseoso a 100 [ºC], ya que a estas
temperaturas ocurren los cambios de fase. Por ejemplo, si la
temperatura de ebullición del agua es 100 [ºC], sabemos que la
máxima temperatura que puede alcanzar este elemento en estado
líquido es, precisamente, 100 [ºC]. Una vez que el agua alcanza
esta temperatura, si se le continúa entregando calor comienza a
producirse el cambio de fase, convirtiéndose en vapor, pero
permaneciendo su temperatura constante durante todo el proceso.
Una vez que el agua se ha convertido totalmente en vapor, si se le
continúa entregando calor, la temperatura comenzará a elevarse
por sobre los 100 [ºC].
Por lo tanto:
I) Verdadero
II) Verdadero
III) Falso
4
C
Como la temperatura inicial del agua en ambos recipientes es
mayor a la temperatura ambiente, los cuerpos terminan,
irremediablemente, enfriándose y alcanzando la temperatura del
entorno (15 °C), tal como se indica en el encabezado. Esto nos
permite descartar inmediatamente las opciones 1 y 4, que
muestran curvas de calentamiento y no de enfriamiento.
La variación de temperatura por unidad de tiempo que
experimenta un cuerpo se denomina “tasa de enfriamiento” o
“rapidez de enfriamiento”. Para cuerpos que varían su temperatura
siguiendo la ley de enfriamiento de Newton, la rapidez de
enfriamiento es mayor mientras más acentuada es la diferencia de
temperatura entre el cuerpo y su entorno. Así, al inicio del
proceso, el agua que se encuentra inicialmente a mayor
temperatura (recipiente P) comienza a enfriarse más rápidamente
que el agua que se encuentra a menor temperatura (recipiente Q),
comportamiento que muestra la gráfica de la opción 2.
Por lo tanto, los gráficos que representan correctamente el
comportamiento de la variación de temperatura en el tiempo de los
cuerpos P y Q son el 2 y 3, respectivamente.
5
C
La materia en el mundo que nos rodea la podemos encontrar, en
general, en tres fases: sólida, líquida y gaseosa.
Cada uno de estos estados posee características propias, como
por ejemplo:



Los sólidos tienen una forma bien definida y es difícil
comprimirlos. En ellos las fuerzas intermoleculares son
muy intensas, motivo por el cual sus partículas se
encuentran “muy cerca” unas de otras.
Los líquidos tienen un volumen bien definido, pero su
forma se adapta al recipiente que los contiene. Se tienen,
entonces, fuerzas intermoleculares más débiles; sus
partículas se pueden separan con facilidad y el material
puede fluir.
Los gases no tienen forma ni volumen definido y pueden
fluir libremente, ocupando todo el espacio disponible y
adaptándose completamente al recipiente que los
contiene. Las partículas del gas se encuentran separadas
entre sí y se mueven independientemente unas de otras.
Las fuerzas intermoleculares entre ellas son prácticamente
nulas.
En vista de lo anterior y considerando la información entregada en
el cuerpo del ejercicio, la alternativa correcta es la C.
6
E
Al dejar los tres cuerpos en el horno a temperatura constante,
suficiente tiempo para que alcancen el equilibrio térmico, todos
alcanzan la misma temperatura. Así, al sacarlos del horno y medir
inmediatamente sus temperaturas con un mismo tipo de
termómetro, los tres marcan lo mismo.
La cantidad de calor necesaria para calentar un cuerpo y hacer
que alcance una determinada temperatura, depende del tipo de
material del cuerpo, de la variación de temperatura que queramos
lograr y de la cantidad de masa que el cuerpo posea; si queremos,
por ejemplo, aumentar en 10 [ºC] la temperatura de un vaso lleno
con agua y de una piscina llena de agua (cuerpos constituidos por
el mismo material; agua), claramente necesitaremos entregar una
cantidad de calor mucho mayor a la piscina, debido a su gran
masa.
En el ejercicio, los tres cuerpos son del mismo material y alcanzan
la misma temperatura, pero poseen distinta masa. Por lo tanto,
aquel cuerpo de mayor masa necesitará absorber una mayor
cantidad de calor para alcanzar la temperatura de equilibrio del
sistema.
Por último, al salir del horno, los tres cuerpos comenzarán a
enfriarse y, por lo tanto, experimentarán contracción, es decir, una
disminución de su volumen.
Por lo tanto:
I) Verdadero
II) Falso
III) Verdadero
7
C
Considerando que todos los cuerpos son del mismo material e
idénticos en forma, que todas las interacciones se produjeron
hasta alcanzar el equilibrio térmico, y que no existen perdidas de
calor en el sistema, tendremos que:
- Al interactuar los cuerpos A y B la suma de sus temperaturas se
distribuye en partes iguales entre los dos cuerpos.
Por lo tanto, ambos cuerpos terminan con una temperatura de 4T
cada uno.
- Al interactuar los cuerpos B y C, nuevamente la suma de sus
temperaturas se distribuye en partes iguales entre los dos
cuerpos.
Por lo tanto, B y C quedan con una temperatura de 7T cada uno.
Así, al final del proceso, el cuerpo B termina con una temperatura
de 7T.
8
A
Tomando en cuenta que en cada cámara se puede llevar a cabo
solo un cambio de fase, tenemos que:

En la cámara A entra agua líquida y sale agua sólida
(hielo). Por lo tanto, en esta cámara se le extrae calor al
material, logrando su solidificación.

En la cámara B entra agua sólida y sale vapor de agua.
Por lo tanto, y considerando que solo se puede producir un
cambio de fase en la cámara, en B se produce sublimación
(cambio de estado de sólido a vapor, sin pasar por el
estado líquido). En esta cámara se le entrega calor al
material.

En la cámara C entra vapor de agua y sale agua líquida.
Por lo tanto, se produce condensación, y en esta cámara
se le extrae calor al material.
Por lo tanto:
I) Verdadero
II) Falso
III) Falso
9
C
Para saber la cantidad de calor necesaria para fundir el hielo,


utilizamos la expresión del calor latente de fusión  L f 
Q
 , con
m
la que obtenemos
Q1  m  L f  100  80  8.000 cal 
Así, para transformar 100 [g] de hielo a 0[ºC] en agua a 0[ºC], se
deben suministrar 8.000[cal].
Para averiguar ahora la cantidad de calor necesaria para elevar la
temperatura del agua de 0 [ºC] a 20 [ºC], utilizamos la expresión
Q  m  c  T , con la cual obtenemos
Q2  100 1 20  2.000 cal 
Así, para elevar la temperatura del agua de 0 [ºC] a 20 [ºC] se
deben suministrar 2.000[cal].
Finalmente, la cantidad total de calor que se debe suministrar para
realizar los dos procesos es
8.000 [cal] + 2.000 [cal] = 10.000 [cal].
10
B
Como el trozo de azufre se encuentra a la temperatura crítica de
fusión (119 ºC), todo el calor absorbido por el material es utilizado
para producir el cambio de fase.
Para determinar la cantidad de masa que se funde, utilizamos la


expresión del calor latente de fusión  L f 
Q
 , de donde
m
despejamos la masa m. Así, obtenemos
Q  650  cal  
Q 650


 50  g 
 cal    m 
Lf
13
L f  13   
 g 
Por lo tanto, solo 50 gramos del trozo de azufre logran fundirse,
permaneciendo el resto en estado sólido.
11
C
12
C
Inmediatamente después de concluido el proceso de fusión, tanto
la parte líquida como aquella que permanece sólida se encuentran
a la misma temperatura, 119 [ºC]. Todo el calor suministrado a la
masa de azufre se utilizó para producir el cambio de fase,
permaneciendo la temperatura del material constante durante todo
el proceso.
El calor específico se define como el calor necesario para elevar
en 1 [ºC] la temperatura de un gramo de material, y se expresa
como
c
Q  cal 
m  T  g º C 
Al analizar la definición anterior podemos ver que, al estar definido
como el calor necesario de entregar a un gramo de material, para
elevar en una cierta cantidad su temperatura, el calor específico
es una característica del material, no del cuerpo. Así, dos cuerpos
del mismo material, pero de forma y cantidad de masa diferentes,
tendrán el mismo calor específico. Se puede, en consecuencia,
individualizar cada material por su calor específico.
Por lo tanto:
I) Falso
II) Falso
III) Verdadero
13
C
Para determinar el calor absorbido por la masa de agua a menor
temperatura, utilizamos la siguiente expresión.
m1  100  g 


 cal  
cagua  1 

 g º C    Qabsorbido  100 1  x  20 
T1  20  º C  

Tf  x

Para determinar el calor cedido por la masa de agua a mayor
temperatura, utilizamos la siguiente expresión.
m2  200  g 


 cal  
cagua  1 

 g º C    Qcedido  200 1  x  80 

T2  80  º C  

TF  x
Finalmente, al utilizar el principio calorimétrico de mezclas
( Qabsorbido  Qcedido  0 ), obtenemos:
100 1  x  20   200 1  x  80   0
100 x  2.000  200 x  16.000  0
300 x  18.000
18.000
300
 x  60  º C 
x
14
A
15
C
En el gráfico se observa que, al aumentar la cantidad de calor
suministrado de 400 a 800 calorías, la temperatura del material se
mantiene constante en 60 [ºC], lo que indica que el calor
absorbido se está utilizando para un cambio de fase. Como
inicialmente la sustancia se encuentra en estado líquido, este
cambio de fase corresponde a la ebullición, y la temperatura a la
cual se produce corresponde a su punto crítico de vaporización:
60 [ºC].
La cantidad de calorías absorbidas por el líquido durante el
cambio de fase corresponde a aquel intervalo en el que no hay
aumento de temperatura, es decir, de 400 a 800 calorías.
Por lo tanto, el líquido absorbió: 800 [cal] – 400 [cal] = 400 [cal]
durante el cambio de fase.
16
C
Estando en su punto crítico, para que cada gramo del material
pueda cambiar de estado (en este caso de líquido a gas), se debe
entregar una cantidad de calor Q por unidad de masa m, llamada
“calor latente de cambio de fase”, que se expresa como
L
Q
m
Así, el calor latente de vaporización del líquido es
Lv 
17
C
 cal 
Q 400  cal 

 20  
m
20  g 
 g 
De acuerdo con el ejercicio, los cuerpos E y F son del mismo
material, y sus masas cumplen con que mF = 2mE, es decir, el
cuerpo F posee el doble de la masa del cuerpo E.
Considerando que el calor es energía, al entregarles una misma
cantidad de calor el cuerpo de mayor masa (F) distribuirá esta
cantidad de energía en una mayor cantidad de masa y, por lo
tanto, logrará una menor temperatura. Consiguientemente, el
cuerpo de menor masa (E), distribuirá la misma cantidad de
energía (calor) en una cantidad de masa menor, por lo que logrará
una mayor temperatura que el cuerpo F.
Así, luego de aplicarles la misma cantidad de calor, la temperatura
del cuerpo F es menor que la del cuerpo E.
La capacidad calórica se define como el calor necesario de
entregar a un cuerpo para aumentar su temperatura en 1 [ºC]. Es
una característica de cada cuerpo, que depende del tipo de
material con el que está hecho y es directamente proporcional a
su cantidad de masa. Si los cuerpos E y F son del mismo material,
entonces aquel de mayor masa (F) tendrá una mayor capacidad
calórica, es decir, necesitará absorber una mayor cantidad de
calor para elevar su temperatura en 1 [ºC].
El calor específico se define como el calor necesario para elevar
en 1 [ºC] la temperatura de un gramo de material. No es una
propiedad de los cuerpos, pues no depende de las características
particulares que estos posean, como forma, tamaño o cantidad de
masa. El calor específico es una característica de cada material.
Así, si los cuerpos E y F son del mismo material, aunque tengan
formas o cantidades de masa diferentes, el calor específico en
ambos es el mismo.
Por lo tanto:
I) Verdadero
II) Falso
III) Verdadero
18
D
Para un material que se encuentra en su punto crítico, el concepto
de “calor latente” nos indica la cantidad de calor necesaria de
entregar o extraer para que 1 [g] de su masa cambie de fase.
Según esta definición, si el calor latente de fusión del agua es
 cal 
 cal 
80   y el de vaporización es de 540   , para una misma
 g 
 g 
masa de agua, y estando esta en su respectivo punto crítico, se
necesita entregar una menor cantidad de calor para fundirla
(transformar el hielo en agua) que para vaporizarla (transformar el
agua en vapor). Así, la proposición I es incorrecta.
El calor específico se define como el calor necesario para elevar
en 1 [ºC] la temperatura de un gramo de material. Por lo tanto, si
 cal 
 , significa que, para que
 g ºC 
el calor específico del agua es 1 
una masa de agua de 1 [g] eleve su temperatura en 1 [ºC], se
requiere entregarle 1 [cal]. La proposición II es correcta.
Una de las leyes del cambio de fase indica que la cantidad de
calor necesaria de entregar a un material para producir un
determinado cambio de fase, es la misma que se requiere extraer
al material para revertir dicho cambio.
 cal 
 , significa que,
 g 
Si el calor latente de fusión del agua es 80 
estando una masa de hielo de 1 [g] en su temperatura crítica de
fusión (0 ºC), le debemos entregar 80 [cal] para que se logre
transformar en agua. Del mismo modo, y de acuerdo a la ley del
cambio de fase mencionada, significa que si queremos revertir
dicho cambio, es decir, si tenemos 1 [g] de agua líquida a 0 [ºC] y
queremos transformarla en hielo, deberemos quitarle 80 [cal]. En
consecuencia, la proposición III es correcta.
Por lo tanto:
I) Falso
II) Verdadero
III) Verdadero
19
B
Es importante que primero recordemos que durante un cambio de
fase, aun cuando el material absorba o ceda calor, su temperatura
permanece constante. En el gráfico, se observan dos intervalos en
donde esto sucede, aunque el cuerpo se mantiene absorbiendo
calor. En estos intervalos el material experimenta cambios de
fase: entre t1 y t2, y entre t3 y t4.
Así, y tomando en cuenta las tres fases de la materia (sólida,
líquida y gaseosa), podemos afirmar que el material se
encontraba, inicialmente, en fase sólida, experimentando dos
cambios de fase: sólido a líquido y, finalmente, líquido a gaseoso.
De las “leyes del cambio de fase” sabemos que un material debe
alcanzar una temperatura específica (llamada punto crítico) para
poder cambiar de fase. En el gráfico se observan tres intervalos
en donde la temperatura del material aumenta: entre t0 y t1, entre
t2 y t3 y entre t4 y t5. En estos intervalos, el material se encuentra
en una fase determinada, pero está absorbiendo calor y elevando
su temperatura. Así, podemos decir que, entre t0 y t1, el material
se encontraba en fase sólida, pero elevando su temperatura para,
posteriormente, fundirse. En t1 comienza a cambiar de fase,
terminando completamente en estado líquido en t2. El punto crítico
de fusión del material es, por lo tanto, P [ºC]. A partir de este
momento el líquido comienza a calentarse, elevando su
temperatura hasta el instante t3, en donde comienza a
transformarse en vapor. En este punto, su temperatura vuelve a
permanecer constante en R [ºC] (punto crítico de vaporización),
mientras dura el proceso. En el instante t4, el material ya se
encuentra completamente en estado gaseoso. A partir de este
momento, la temperatura comienza a aumentar y el vapor
comienza a calentarse hasta llegar a la máxima temperatura de
Q [ºC], en el instante t5.
Por lo tanto:
I)
Falso
II)
Verdadero
III)
Falso
20
C
La siguiente figura ilustra los distintos cambios de fase que, en
general, encontramos en la naturaleza.
Tal como muestra la figura, los procesos de la parte superior
(fusión, sublimación y vaporización) requieren que el material
absorba energía. En cambio, los procesos de la parte inferior
(solidificación, sublimación inversa y condensación) requieren que
el material libere energía.
Así, la alternativa incorrecta es la C.