7.2 Calor.pdf

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(1)

1 Completa el siguiente esquema que representa el criterio de signos termodinámico y explica su significado.

Solución:

Se consideran positivos el trabajo que se ejerce sobre el sistema y el calor aportado al sistema, porque aumentan la energía interna. Se consideran negativos el trabajo que ejerce el sistema sobre el entorno y el calor aportado por el sistema al entorno, porque disminuyen la energía interna del sistema.

2 Definir qué es el calor específico y escribe su unidad en el sistema internacional (S.I.). Solución:

El calor específico c.e. de una sustancia es la energía que absorbe mediante calor 1 kg de la misma para elevar 1 K su temperatura.

Su unidad en el sistema internacional es, J/ kg K.

3 El calor específico del vidrio es 800 J/kg K, ¿qué significa? Solución:

Significa que para elevar 1 K la temperatura de 1 kg de vidrio es necesario transferirle una energía de 800 J. 4 Según el modelo la teoría cinética de la materia, ¿a qué se deben la energía cinética y potencial de las

partículas que constituyen los sistemas materiales?

Solución:

La energía cinética se debe al movimiento de las partículas, que se mueven libremente o deslizándose o vibrando.

La energía potencial se debe a fuerzas fundamentalmente de carácter eléctrico entre las partículas, cuya intensidad depende del estado de la materia.

5 ¿Qué diferencia hay entre los conceptos de capacidad calorífica y calor específico? Solución:

Mientras que la capacidad calorífica de una sustancia es la relación entre la energía transferida a dicha sustancia y su variación de temperatura, el calor específico es la relación entre la capacidad calorífica de la sustancia y su masa.

(2)

Solución:

Se denomina energía interna de un sistema a la suma de la energía cinética y potencial de todas las partículas que lo constituyen. La energía cinética interna depende de la temperatura y de la cantidad de materia. La energía potencial depende de fuerzas de carácter fundamentalmente eléctrico cuya intensidad depende del estado de la materia. No es posible medir su valor, pero si sus variaciones.

7 Según la teoría cinética, ¿cómo se produce la conducción en una varilla metálica, si el aporte de energía se realiza en un extremo de dicha varilla?

Solución:

Las partículas de la varilla que están más cerca del foco que transfiere la energía, vibran más deprisa; al chocar con otras partículas más alejadas que tienen menos energía, les comunican dicha vibración y éstas a su vez a otras más alejadas, repitiéndose este proceso en todas las partículas hasta el otro extremo de la varilla. 8 Explica el significado de la expresión: Qabsorbido + Qcedido = 0

Solución:

Es la aplicación del principio general de conservación de la energía cuando dos cuerpos intercambian energía en forma de calor. La energía cedida en forma de calor por el cuerpo que está a temperatura más alta, es la misma que la que absorbe el que está a temperatura más baja. De tal forma, que por convenio de signos, a la energía cedida le asignamos signo negativo y a la absorbida, signo positivo.

9 ¿Cuáles son los mecanismos de transmisión de energía mediante calor? ¿Qué finalidad tienen? Solución:

Conducción, convección y radiación.

Tienen como finalidad transmitir energía a los cuerpos que se encuentran a menor temperatura hasta que se produce el equilibrio térmico.

10 De los mecanismos de transmisión de energía mediante calor, ¿cuáles necesitan medio material para su propagación y cuáles no? ¿Cuáles se realizan con transporte de materia?

Solución:

Necesitan medio material, la conducción y la convección. Y no la necesita la radiación. Realiza la transmisión con transporte de materia, la convección.

11 Escribe la expresión de la variación de la energía interna y señala el criterio termodinámico de signos. Solución:

Q + W U U =

U f i 

Se considera positiva la energía que recibe el sistema del entorno en forma de calor y trabajo, y negativa en caso contrario.

12 Una sustancia A tiene doble calor específico que otra B. Si la masa de B es cuatro veces la de A, al transferirles la misma cantidad de energía en forma de calor, ¿cuál de las dos experimentará un mayor aumento de temperatura?

(3)

B A

e A

e A

e A

e B

B A

e B B e

A A

e B B e

A B

e A A e

A A

e e

A B

t 2 t

2 (B) c 2 m

B) ( c m 4 A) ( c m

B) ( c m t t

B) ( c m t = A) ( c m t

B) ( c m t = Q B) ( c m

Q t

A) ( c m t = Q A) ( c m

Q t

(B) c 2 = A) ( c

m 4 m

   

 

  

    

   

 

    

 

    

 

 

El aumento de temperatura de la sustancia A será el doble que en la B.

13 ¿Quién modifica la energía interna de un sistema? ¿Cuándo aumenta o disminuye su energía interna un sistema?

Solución:

La energía interna de un sistema se modifica por el trabajo y el calor. La energía de interna de un sistema aumenta cuando el trabajo se realiza sobre el sistema y el calor se aporta al sistema. Y disminuye, cuando el trabajo lo ejerce el sistema y el calor se aporta al entorno.

14 Las bombillas en su interior tienen vacío, sin embargo, cuando se tocan notamos que están a alta temperatura. ¿Cómo es posible?

Solución:

Porque la energía transferida desde el filamento al cristal se ha realizado por el mecanismo de radiación, y éste no necesita medio material para la propagación de la energía.

15 Ordena de mayor a menor las siguientes sistemas según su facilidad para transmitir la energía mediante calor por conducción. Escribe su justificación.

Poliestireno expandido, cobre, vacío y aire.

Solución:

Cobre > Poliestireno expandido > aire > vacío.

Son mejores transmisores de energía por conducción las sustancias que son más densas porque sus partículas están más cercanas. En el vacío al no haber partículas, no es posible la conducción.

16 Un sistema recibe 8 000 J en forma de calor y realiza un trabajo de 5 000 J ¿Cuál ha sido la variación de su energía interna?

Solución:

Como el calor lo recibe el sistema será: +8 000 J Como el trabajo lo realiza el sistema será: -5 000 J

U = Q + W = 8 000 J + (-5 000 J) = 3 000 La energía interna ha aumentado 3 000 J.

17 Calcular la energía que hay que transferir en forma de calor a 0,5 litros de aceite para que aumente su temperatura de 20ºC a 150ºC.

Datos. Densidad del aceite; 900 kg/m3 y c. e. del aceite = 2 508 J/kg ºC.

(4)

J 718 146 = C 20)º -(150 C º J/kg 508 2 kg 0,450 Q

kg 450 , 0 kg/m 900 m 10 0,500 = m

t c m = Q

3 3

3 -e

 

 

   

18 ¿De qué factores depende la energía que hay que transferir a una sustancia para variar su temperatura? Escribe su expresión matemática y las unidades de cada uno de sus términos en el sistema internacional.

Solución:

Depende de la masa, de su naturaleza y de la variación de temperatura.

) t t ( c m = t · c · m =

Q e   e f  i

C] [º t C] º [J/kg c m[kg] [J]

Q   e 

19 En una sartén hay 250 mL de aceite a 20 ºC y se le transfieren 45,144 kJ de energía en forma de calor, ¿qué temperatura alcanzará?

Datos. Densidad del aceite ; 900 kg/m3 y c. e. del aceite = 2 508 J/kg ºC.

Solución:

C º 100 C

º 64,3J/ 5

J 286 11 + J 144 45 = t

J 286 11 -t C º 64,3J/ 5 = J 144 45

C 20)º -t C( º J/kg 508 2 kg 0,225 = J 144 45

) t -(t ce m = Q

kg 0,225 m

10 5 , 2 kg/m 900 = m

f

f

f i

f

3 4 3

  

 

 

20 Indicar si las siguientes frases son verdaderas (V) o falsas (F).

a) El mecanismo que realiza la transmisión de energía en forma de calor en los sólidos fundamentalmente es la radiación.

b) El mecanismo de transmisión de energía en forma de calor que produce efectos que son visibles es la convección.

c) No hay ningún mecanismo que realice la transmisión de energía en forma de calor en el vacío.

d) El mecanismo que realiza la transmisión de energía en forma de calor en los gases es fundamentalmente por conducción.

e) Un mal emisor de energía por radiación es un mal absorbente de energía.

Solución: a) Falso. b) Verdadero. c) Falso. d) Falso. e) Verdadero.

21 ¿Quién tiene más energía interna un clavo al rojo vivo o el agua de una bañera? Según la teoría cinética, ¿quién tendrá sus partículas con una energía cinética media mayor? ¿Quién transferirá energía?

Solución:

La bañera de agua, porque la energía interna no sólo depende de la temperatura, sino también de la cantidad de materia, y en este caso, aunque la temperatura del clavo al rojo vivo es mayor, la cantidad de materia es mucho mayor en el caso del agua de la bañera.

(5)

La energía se transfiere desde el cuerpo que tiene sus partículas con mayor energía cinética media, en este caso, el clavo al rojo vivo.

22 Un sistema aumenta energía interna en 200 J, al recibir 250 J en forma de calor. ¿Qué trabajo realizó el sistema?

Solución:

J 50 = J 250 -200J = W W + 250 = J 200 W + Q =

U   

50 J realizó el sistema sobre el entorno.

23 Los termos que utilizamos habitualmente para conservar las bebidas a baja o alta temperatura, están constituidos por un recipiente de vidrio de doble pared con el vacío entre ellas, plateadas por dentro y por fuera, colocado en otro recipiente que le hace de soporte. ¿Qué función en relación al aislamiento térmico, crees que tendrá la doble pared de vidrio y el que esté plateada?

Solución:

El recipiente de vidrio es en el que están los líquidos. Al tener una doble pared y haber vacío entre ellas, evita la transmisión de energía hacia el exterior por conducción y convección, ya que estos mecanismos necesitan de un medio material para ello. Al estar las paredes plateadas se consigue que la transmisión de energía por radiación sea pequeña, ya que ese tipo de superficies, reflejan la radiación, con lo que absorben mal la energía y también son malas emisoras de la misma.

24 Al transferir la misma cantidad de energía durante el mismo tiempo a dos sistemas, ¿cuál de los dos elevará más su temperatura?

f) Dos vasos con la misma cantidad de aceite (c.e. = 2 508 J/kg K) y agua (c.e. = 4180 J/kg K). g) Dos vasos, uno con 1/4 de litro y otro con 1/2 litro de aceite.

Solución:

a) A igualdad de la masa y de la energía transferida, el único factor que influye en la elevación de su temperatura es el calor específico, como la variación de temperatura es T = Q/ m · ce. El aceite elevará más su temperatura.

b) A igualdad del calor específico y de la energía transferida, el único factor que influye en la elevación de su temperatura es su masa, como la variación de temperatura es T = Q/m · ce. El vaso con 1/4 de litro de aceite elevará más su temperatura.

25 Un sistema intercambia 500 J de calor y 600 J de trabajo con el exterior. Calcula la variación de su energía interna, en los siguientes casos.

a) El sistema recibe calor y realiza trabajo.

b) El sistema recibe calor y se realiza trabajo sobre él. c) El sistema cede calor y realiza trabajo.

d) El sistema cede calor y se realiza trabajo sobre él.

Solución:

J +100 = J 600 + 500 -= U ; J 500 -= Q ; J 600 = W d)

J 100 -1 = J) 600 (-+ 500 -= U ; J 500 -= Q ; J 600 = W c)

J 100 1 + = J 600 + 500 = U ; J 500 + = Q ; J 600 = W b)

J -100 = J) 600 (-+ 500 = U ; J 500 + = Q ; J 600 = W a)

 

 

 

 

26 ¿Es correcto decir qué un cuerpo recibe o contiene calor? Explícalo. Solución:

No. El calor no es una forma de energía, sino un proceso de transferencia de energía entre dos sistemas que están a distinta temperatura.

(6)

forma de calor entre dos sistemas a distinta temperatura?

Solución:

 La energía interna de las partículas del sistema que eran más lentas ha aumentado al aumentar su energía cinética media; por tanto, ha habido una transferencia de energía.

 La transferencia de energía se produce desde el cuerpo cuyas partículas tienen mayor energía cinética media al que tiene menos, pero no necesariamente, desde el cuerpo que tiene mayor energía interna al que tiene menos.

 Cuando las partículas de los dos sistemas tienen la misma energía cinética media se detiene el proceso y ya no hay transferencia de energía.

28 Se ha puesto cierta cantidad de agua en una cazuela y se le han transferido 167 200 J de energía en forma de calor para que eleve su temperatura en 80 ºC ¿Cuántos litros de agua se han empleado? c.e.=4 180 J/kg ºC.

Solución:

L 0,5 = kg 5 , 0 J/kg 400 334

J 200 167 = m

C 80º C J/kgº 180 4 m = J 200 167

t c m =

Q e

 

  

29 Un sistema realiza un trabajo de 400 J, sin variar su temperatura. ¿Cuál ha sido la variación de su energía interna?

Solución:

J 400 -= J) 400 (-+ 0 = U 0; = Q ; J 400 =

W  

30 Un sistema aumenta su energía interna en 4 500 J, si realiza una trabajo de 2 000 J, ¿qué energía transferida en forma de calor habrá tenido?

Solución:

J 500 6 = J 000 2 + J 500 4 = Q

J) 000 2 (-+ Q = J 500 4 ; J 000 2 =

W  

Habrá tenido una transferencia en forma de calor de 6 500 J.

31 Una máquina realiza el desplazamiento de un bloque de 1 tonelada métrica a una altura de 10 metros sobre suelo a costa de la energía interna de un combustible. Calcular: ¿cuánto ha disminuido, si además se han disipado 50 000 J?

Solución:

J 000 -148 = J) 000 98 (-+ 000 50 = U ; J 000 50 = Q ; J 000 98 = W

J 000 98 = m 10 m/s 9,8 kg 000 1 = realizado

W 2

  

 

Ha disminuido 148 000 J que habrá obtenido del combustible.

32 En las ventanas de las casas en la actualidad se ponen dobles cristales para que no se transfiera energía desde el interior hacia el exterior. ¿Qué hay entre los dos cristales? ¿Por qué son más efectivos que los cristales sencillos?

Solución:

Entre los dos cristales hay aire.

Los dobles cristales son más efectivos, porque su función es evitar la transmisión de energía por conducción a través de los mismos al exterior y añaden a su mala conducción, la del aire que hay entre ellos, que es muy mal conductor térmico.

(7)

mezcla? c.e. = 4 180 J/kg ºC.

Solución:

Como el sistema está aislado, se cumple: Qabsorbido + Qcedido = 0

Qabsorbido =

J/kg m 900 20 = C 15)º -(20 C º J/kg 4180 m

Qcedido =

J 680 376 = C 500)º -(20 C º J/kg 383 kg

2  

L 17,6 = kg 6 , 17 J/kg 900 20

J 680 376 = m

0 = ) J 680 376 ( + J/kg m 900 20

 

34 ¿Cuál es la causa por la que se mueven los papeles que hay colgados en un corcho que está colocado encima de un radiador en funcionamiento?

Solución:

El radiador transfiere energía a la masa de aire que hay más cercana, con lo cual eleva su temperatura y su volumen, con lo que su densidad disminuye lo que provoca que ascienda. Mientras que la masa de aire que está más lejana ocupa su lugar, por tener más densidad, lo que origina una corriente de aire que es la que hace mover los papeles del corcho.

35 Cuando nos abrigamos con jerseys de lana en invierno decimos que nos dan calor, ¿qué se debería decir? ¿Por qué desempeñan esta función?

Solución:

Se debería decir que impiden la transferencia de energía desde nuestro organismo hacia el exterior ya que la lana es aislante.

Son aislantes porque la lana es mala conductora del calor ya que es poco densa y además, entre sus poros hay aire, que es también, muy mal conductor.

36 Para elevar la temperatura de un cubo de plomo de 2 kg en 40 ºC, se necesitan 10 400 J. Y, para elevar en 50 ºC la temperatura de un cubo de cobre de 0,5 kg , se necesitan 9 625 J. ¿Cuál tiene mayor calor específico?

Solución:

C º J/kg 385 C º kg 25

J 625 9 c : Cu

C º 50 c kg 0,5 = J 625 9

C º J/kg 130 C º kg 80

J 400 10 c : Pb

C 40º c kg 2 = J 400 10

t c m = Q

e

e e

e e

 

 

 

    

Tiene mayor calor específico el cobre.

37 Un sistema disminuye su energía interna en 3 000 J, si no se realiza trabajo. ¿Cómo se habrá transferido energía al exterior y cuál es su valor?

Solución:

J 000 3 = Q 0 + Q = J 000 3 ; 0 =

W   

Se habrá disipado energía en forma de calor.

(8)

Dato. Calor específico del agua: c.e. = 4 180 J/kg ºC.

Solución:

Como el sistema está aislado, se cumple: Qabsorbido + Qcedido = 0

Qabsorbido =

C)

º

60

-C

º

20,54

(

c.e

kg

5

,

1

Qcedido =

C) º 20 -C º (20,54 C º J/kg 180 4 kg 10  C º J/kg 382 C 59,19kg/º J 572 22 c 0 = J 572 22 + c · C kg/º 19 , 9 5 0 = C) 20º -C (20,54º C º J/kg 180 4 kg 10 + C) 60º -C 20,54º ( · c kg ,5 1       

39 Se deja una cuchara de aluminio de 100 gramos de masa que está a 20 ºC dentro de una sartén de aceite que contiene 0,5 litros a 80ºC. Si en una situación ideal suponemos que no se disipa energía en el ambiente, ¿cuál será la temperatura cuando se alcance el equilibrio térmico?

Datos. c.e. del aluminio = 896 J/kg ºC y del aceite 2 508 J/kg ºC. Densidad del aceite: 900 kg/m3.

Solución:

Como el sistema está aislado, se cumple: Qabsorbido + Qcedido = 0

m = 0,500 · 10-3 m3 · 900 kg/m3 = 0,450 kg Qabsorbido = 0,1 kg · 896 J/kg ºC (tf - 20 ºC)

Qcedido = 0,450 kg · 2 508 J/kg ºC (tf - 80 ºC)

C º 59 , 75 C J/º 218,2 1 J 080 92 t J 080 92 t C J/º 218,2 1 0 = J 288 90 t C J/º 128,6 1 + J 792 1 t C J/º 6 , 89 0 = C) 80º -(t C J/kgº 508 2 kg 0,450 + C) º 20 -(t C º J/kg 896 kg 1 , 0 f f f f f f       

40 10 partículas de una gas tienen una masa de 4,65 · 10- 26 kg cada una y se mueven a una velocidad media de 508,14 m/s. Otras 4 partículas de otro gas tienen una masa 0,66 · 10-26 kg cada una y se mueven a una velocidad media de 1 390,0 m/s.

a) Hallar la energía cinética media y la temperatura de cada uno de los gases. b) Si se mezclan, ¿qué temperatura tendrá dicha mezcla?

Solución:

La energía cinética media es igual para todas sus partículas.

a) Primer gas:

J 10 6 2 m/s) (508,14 kg 10 . 4,65

Ec -21

2 -26     Segundo gas: J 10 42 , 6 2 m/s) 390 (1 kg 10 . 0,66

Ec -21

2 -26     T 3 Ec 2 = T T k 2 3

(9)

Primer gas:

C º 17 = 273 -290 = T K 290 K J/º 10 38 , 1 3

J 10 6 2 k

3 Ec 2 =

T 23

-21

 

 

 

Segundo gas:

C º 37 = 273 -310 = T K 310 K J/º 10 38 , 1 3

J 10 42 , 6 2 k 3

Ec 2 = T

23 -21

 

 

 

b) Para hallar la temperatura del equilibrio térmico hay que hallar la energía cinética media:

C º 22,65 = 273 -295,65 =

t K 295 J/K 10 38 , 1 3

J 10 12 , 6 2 k 3

Ec 2 = T

J 10 12 , 6 14

J 10 42 , 6 4 + J 10 6 10 Ec

23 21

-21 --21

-21

 

 

    

  

 

 

Figure

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