Problemas de Física II Unidad I

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
PROBLEMAS DE FÍSICA II (Unidad 01)
Biología en Acuicultura
1. La
columna de mercurio de un
termómetro de líquido tiene una longitud
de 6 cm. en el punto triple del agua. Cual
será longitud de la columna cuando la
escala indica una temperatura de
26,85°C.
2.- Un termómetro de gas a volumen
constante cuyo bulbo está en contacto
con agua en el punto triple, registra una
presión correspondiente a 5 cmHg.
Calcular la presión que señalará cuando
el bulbo esté en contacto con el agua en
el punto de ebullición normal.
R.- 6,83 cm de Hg
3.- En un experimento realizado con un
termómetro de gas a volumen constante
se encontró que la presión en el punto
4
triple del agua era de 4 x 10 Pa, y la
correspondiente al punto de ebullición
4
normal del agua de 5,4 x10 Pa. Según
estos datos calcular la temperatura del
cero absoluto en la escala Celsius.
4.- Determinar la temperatura en la cual
coinciden
las
escalas
Celsius
y
Fahrenheit.
Calcular
el
salto
de
temperatura en grados Celsius que
corresponde a una diferencia de
temperatura 18 Fahrenheit.
R.- -40 °C.
5.- ¿Cuál es la temperatura final de equilibrio
cuando 10g de leche a 10 °C se agregan
a 160 g de café a 90 °C?. (Suponga que
las capacidades caloríficas de los dos
líquidos son iguales a la del agua, y
desprecie la capacidad calorífica del
recipiente).
R.- 85,3 °C.
6.- La temperatura de una barra de plata
aumenta 10 ºC cuando absorbe 1,23 KJ
de calor. La masa de la barra es 525 g.
Determina el calor específico de la barra.
R.- 0, 234 KJ/kg ºC
7.- Una persona ingiere 300g de crema de
helado al que se atribuye un calor de
fusión de 50 cal/g. ¿Cuánto calor absorbe
la masa helada si después de ser
ingerida toma la temperatura del cuerpo?.
R.- 26,1 Kcal
8.- Un calorímetro que tiene un equivalente
en agua de 50g y contiene 650g de agua
a una temperatura de 20°C. Si se coloca
en el interior 300g de hielo a 0 °C.
Calcular cuál será el estado final de la
mezcla.
R.- Se fundirán 175g de hielo.
9.- Si 200 g de agua están contenidos en un
recipiente de aluminio de 300 g a 10 ºC y
100 g adicionales de agua a 100 ºC se
vierten en el sistema, ¿Cuál es la
temperatura de equilibrio final del
sistema?. Calor específico del aluminio 0,
215 cal/g ºC.
R.- 34, 691 ºC.
10.- Calcular la cantidad de calor necesaria
para transformar 10g de hielo 0ºC en
vapor a 100 °C.
R.- 7,2 Kcal.
11- ¿Cuánto calor debe agregarse a 20g de
aluminio a 20 ºC para fundirlo
completamente?. Calor de fusión del
5
aluminio 3, 97 x 10 J/kg. Calor específico
del aluminio 0,215 cal/g ºC; punto de
fusión del aluminio 660 ºC.
R.- 19,5 KJ.
12.- ¿Cuánto calor pierde diariamente el
cuerpo por evaporación si la pérdida
promedio es de 30g/h y el calor de
evaporación del sudor a la temperatura
del cuerpo es de 580 cal/g?
R.- 417,6 Kcal.
13.- Una herradura de hierro de 1,5 kg
inicialmente a 600 °C se deja caer en un
cubo que contiene 20 kg de agua a 25
°C. ¿Cual es la temperatura final ?.
(Desprecie la capacidad calorífica del
recipiente).
R.- 29,6 °C.
14.- Un recipiente de espuma de estireno
contiene 200 g de mercurio a 0 °C. A esto
se le agregan 50 g de alcohol etílico a 50
°C y 100 g de agua a 100 °C.(a) ¿Cuál es
la temperatura final de la mezcla ?,
(b)¿Cuánto fue ganado o perdido por el
mercurio, el alcohol y el agua ? (El calor
específico del mercurio es 0,033 cal /g°C,
el alcohol etílico, 0,58 cal /g °C,. Se
desprecia la capacidad térmica de la
espuma de estireno).
15.- ¿Cuál es la temperatura de equilibrio final
cuando 10 g de leche a 10 ºC se agregan
a 160 g de café a 90 ºC (suponiendo que
las capacidades caloríficas de los dos
líquidos son las mismas que la del agua,
e ignore la capacidad calorífica del
recipiente)
R.- 85, 294 ºC.
16.- Una bala de plomo de 3g se desplaza a
240 m/s cuando se incrusta en un bloque
de hielo a 0 ºC. Si todo el calor generado
funde el hielo, ¿qué cantidad de hielo se
derrite? (el calor latente de fusión para el
hielo es de 80 Kcal /kg y el calor
específico del plomo es de 0, 030 Kcal/kg
ºC
R.- 0, 258 g si la bala está a 0 ºC
CALORES
ESPECÍFICOS
DE
ALGUNAS SUSTANCIAS A 25 °C Y A
LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA.
SUSTANCIA
Calor espec, c
J / kg.°C
cal / g.°C
Aluminio 900
0,215
Berilio
1830
0,436
Cadmio
230
0,055
Cobre
387
0.0924
Oro
129
0,0308
Hierro
448
0,107
Plomo
128
0,0305
Plata
234
0,056
Latón
380
0,092
Madera
1700
0,41
Persona
0,83
Vidrio
837
0,200
Hielo(-5°C)2090
0,50
Alcohol(etílico)2400
0,58
Mercurio 140
0,033
Agua(15°C)4186
1,00
17.- Dos cuartos comparten una pared de
ladrillos de 12 cm de grosor, pero están
perfectamente aislados en las demás
paredes. Cada cuarto es un cubo de 4.0
m de arista. Si el aire de uno de los
cuartos está a 10 ºC y el otro a 30 ºC.
¿Cuántas bombillas eléctricas de 100 w
se necesitarán tener encendidas en el
cuarto más caliente para mantener la
misma diferencia de temperatura?
2
18.- Un hombre cuya superficie mide 1,8 m
lleva un abrigo de 0, 01 m de grosor, de
-5
conductividad térmica de 10 Kcal/smK
(a) Si la temperatura de la piel es de 34°C
y el exterior de l abrigo se halla a –10°C,
¿Cuál es la tasa de pérdida de calor?, (b)
¿Se halla adecuadamente vestido?.
Explique. (Referencia: Si una persona
pierde calor a un ritmo mayor a 280
Kcal/h, se congelaría).
19.-Un recipiente cúbico de espuma de
estireno mide 30 cm por lado y 2 cm de
espesor. La pared interna es de 5°C y la
parte externa es de 25°C. Si se necesitan
8h para fundir en él 5 kg de hielo, ¿ Cuál
es la conductividad térmica de la espuma
de estireno ?
R.- 0, 143 W / m°C
20 .- Un bote cilíndrico con una pared delgada
negra de 10 cm de diámetro y 20 cm de
alto, se llena con agua a 100 °C y se
coloca en un cuarto a 20 °C . (a)
Determine la rapidez
inicial de
transferencia de calor debida a la
radiación.(b) Encuentre la rapidez inicial
de cambio en la temperatura del agua
(Desprecie cualquier efecto calorimétrico
del bote). (c) Repita esto en caso de la
temperatura del bote haya disminuido a
30 °C.
-3
R.- (a) 53,4 W; (b) –8,12 x 10 °C/s; (c)
4,72 W.
21- Una placa de hierro de 2cm de espesor
2
tiene una sección recta de 5 000 cm .
Una de las cara se halla a la temperatura
de 150 ºC y la opuesta a 140 ºC. Calcular
la cantidad de calor que se transmite por
segundo es la pérdida de calor a través
de la ventana?. La conductividad térmica
del hierro vale 0,115 cal/s.scmºC
R.- 2, 875 cal/s
22.- Una persona que anda con velocidad
normal produce calor a un ritmo de 0,07
Kcal/s. Si el área de la superficie del
2
cuerpo es 1,5 m y si se supone que el
calor se genera 0,03 m por debajo de la
piel, ¿qué diferencia de temperatura entre
la piel y el interior del cuerpo existiría si el
calor se condujera hacia la superficie?.
Supóngase que la productividad térmica
es la misma que para los músculos
animales, 5 Kcal/smK.
R.- 28°C
2
23.-( Una muchacha de 1,2 m de superficie
(ahora las consideramos por metro
cuadrado) lleva unos pantalones y una
chaqueta de ridículos 3 cm de grosor
(dándole sentido al refrán: "ande yo
caliente, y ríase la gente"). Si su piel se
halla a 34°C y puede perder sin peligro
unos 85 W por conducción, ¿cuál es la
menor temperatura exterior para la que
su ropa resulta adecuada?
R.- -18 °C.
24.-Una marsopa de 2,44 m de longitud tiene
un radio medio de 123,3 cm. La
temperatura corporal es de 37°C y la del
agua 7°C. El calor se pierde a través de
una capa de grasa de 2 cm de espesor,
con un coeficiente de conductividad
-2
térmica de 16,7 x 10 W/mK . Encuentre
el calor perdido por conducción, en
calorías por hora y compárelo con un
estimado aproximado de producción de
calor para un apersona que hace ejercicio
suave.
R.- 439,3 Kcal/h.
25.- El vidrio de una ventana se encuentra a
2
10°C y su área es 1,2 m . Si la
temperatura del aire exterior es 0°C,
¿cuánta
energía
se
pierde
por
convección en cada segundo? La
constante de transmisión de calor por
2
convección para este caso es 4 W/(m K)
Sol. 48 W
26.- Un submarino de investigación para un
pasajero tiene un casco esférico de hierro
de 1,50 m de radio externo y 2 cm de
espesor, forrado con hule de igual
espesor. Si el submarino navega por
aguas del Ártico (temperatura de 0 ºC) y
la tasa total de calor liberado dentro de la
pequeña
nave
(incluye
el
calor
metabólico del pasajero) es de 1500 W,
encuentre la temperatura de equilibrio del
interior.
Sol. 5,46 ºC
27.- Un excursionista usa prendas de vestir de
3.5 cm de grueso, cuya área superficial
total es de 1.7 m2. La temperatura de la
superficie de las prendas es de –20 ºC y
la de la piel de 34 ºC. Calcular el flujo de
calor por conducción a través de la ropa
(a) Suponiendo que ésta está seca y que
la conductividad térmica k es la del
plumón igual a 0.06x10-4 kcal/s m K y b)
suponiendo que la ropa está mojada, de
modo que k es la del agua (1.4x10-4
kcal/s m K) y que la ropa se ha
comprimido hasta un espesor de 0.50 cm.
CONDUCTIVIDADES TÉRMICAS.
SUSTANCIA
Conduc térmica
W/ m.°C
Metales (a 25°C)
Aluminio
Cobre
Oro
Hierro
Plomo
Plata
238
397
314
79,5
34,7
427
Gases ( a 20°C)
Aire
Helio
Hidrógeno
Nitrógeno
Oxígeno
0,0234
0,138
0,172
0,0234
0,0238
No metales (valores aproximados)
Asbestos
0,08
Concreto
0,8
Vidrio
0,8
Hielo
2
Hule
0,2
Agua
0,6
Madera
0,08
28.-Una gota esférica de mercurio de radio 3,0
mm se divide en dos gotas iguales.
Calcula a) el radio de las gotas
resultantes y b) el trabajo que hay que
realizar contra las fuerzas de tensión
superficial para realizar esta operación.
La tensión superficial del mercurio es
2
0,47 J/m
R. r= 2,4 mm; W= 14 µJ
29.- Calcular el radio de un capilar tal que
colocado en mercurio este asciende 5
mm. Si el peso específico del mercurio es
de 436 dyn/cm ³.
Respuesta: 1,3 mm
30.-¿Cuál es la altura a que llega el éter en un
capilar de 0,8 mm de radio (δ = 0,7 g/cm
³), si su tensión superficial es 0,016
gf/cm?
Respuesta: 0,9 cm