1° Guía de Ejercicios y problemas Calor y Temperatura 2017

Texto completo

(1)

1

Física Biológica – Cátedra 2A

2017

Prof. Carlos Dibarbora

1.1

¿Qué tiene más átomos, 1 kg de hidrógeno o 1 kg de plomo?

1.2

¿Por qué no debe arrojarse un frasco de vidrio cerrado a una fogata?

1.3

Considere dos muestras de gas ideal que están a la misma temperatura. La muestra A tiene la misma masa total

que B, pero sus moléculas tienen mayor masa molar. ¿En cuál muestra es mayor la energía cinética total?

1.4

Considere dos muestras de igual número de moles de aire y a la misma temperatura, aunque con diferente

contenido de humedad. ¿Cuál es más denso, el aire seco o el aire húmedo a la misma T? Explique.

1.5

El refrigerante de un radiador de automóvil se mantiene a una presión mayor que la atmosférica. ¿Por qué es

deseable esto?

1.6

¿Qué se entiende exactamente cuando se dice que el oxígeno hierve a -183°C?

1.7

¿En qué condiciones puede existir CO2 líquido? Sea específico. ¿Puede existir como líquido a temperatura

ambiente normal?

1.8

Una pequeña cantidad de agua se hierve en un recipiente de metal. El recipiente se retira del calor y se tapa.

Luego de un rato, con el recipiente más frío se nota que la tapa quedó “trabada”. ¿Por qué?

1.9

Explique usando el modelo corpuscular de la materia por qué:

Al aumentar la temperatura de un gas a volumen constante, aumenta la presión.

El proceso de evaporación enfría un líquido.

Un globo se hincha cuando se sopla dentro de él.

Al aumentar la temperatura de un gas a presión constante disminuye la densidad.

No se pueden obtener temperaturas menores a la del cero absoluto.

1.11 Conforme usted sube más alto en la atmósfera de la Tierra, aumenta la proporción entre las moléculas de N2 y

las moléculas de O2. ¿Por qué?

1. 12 ¿Es posible hervir agua a temperatura ambiente (20°C) sin calentarla? Explique.

1.13

¿Por qué la comida se cocina más rápido en una olla de presión? b) Por qué la pasta o el arroz necesitan

hervir más tiempo a grandes alturas?c) ¿Es más difícil hervir agua a grandes alturas?

1.14

Un vaso con agua a temperatura ambiente se coloca en una campana en la que se va reduciendo

gradualmente la presión del aire. Cuando la presión del aire se reduce lo suficiente, el agua comienza a hervir. La

temperatura del agua no aumenta al hervir; de hecho, baja un poco. Explique estos fenómenos.

-

Gas ideal

2.1

Si la temperatura de un gas se duplica en ºC ¿Se duplica en K? Suponga que un gas inicialmente a 20ºC duplica su

temperatura en ºC, ¿Cuál es su temperatura final en K?

2.2

Llamamos a R la constante de los gases y su valor numérico depende de las unidades de p, V y T. En unidades del

SI, con p en Pa (1 Pa = 1 N/m

2

) y V en m

3

, el valor numérico de R es 8,31 J/mol·K. Compruebe que los valores R =

0,082 atm·L/mol·K y R = 1,99 cal/mol·K son igualmente válidos.

Diagrama de fases del CO2

(2)

2

2.3

Un neumático tiene una presión absoluta de 400 kPa a 15,0 °C. ¿Cual es la presión a 45,0 °C? Suponga que el

cambio de volumen del neumático es insignificante. Rta: 442 kPa.

2.4

Un gas se expande con una presión constante desde 3,00 L a 15,0 °C hasta que el volumen es de 4,00 L. ¿Cuál es

la temperatura final del gas? Rta: 111 °C.

2.5

El volumen pulmonar total de una estudiante de física es de 6,00 L. Ella llena sus pulmones con aire a una

presión absoluta de 1,00 atm y luego, deteniendo la respiración, comprime su cavidad torácica para reducir su

volumen pulmonar a 5,70 L. ¿A qué presión está ahora el aire en sus pulmones? Suponga que la temperatura del

aire no cambia. Rta: 1,05 atm

2.6

Un volumen de 1,00 L de un gas experimenta un proceso isocórico (es decir, a volumen constante) en el cual

duplica su presión, seguido por un proceso isotérmico (a temperatura constante) hasta que se logre la presión

original. Determine el volumen final del gas. Rta: 2,00 L.

2.7

Represente gráficamente las siguientes transformaciones: (a) La expansión de un gas a presión constante, en la

que su volumen se duplica. (b) La compresión de un gas a volumen constante, si su temperatura disminuye a la

mitad. (c) La expansión de un gas a temperatura constante, donde el volumen del mismo se duplica.

2.8

El nitrógeno líquido, que se usa en muchos laboratorios de investigación física, puede presentar un riesgo de

seguridad si una cantidad grande evapora en un espacio cerrado. El nitrógeno evaporado reduce la

concentración de oxígeno, creando el riesgo de asfixia. Supongaque 1,00 L de nitrógeno líquido (δ= 808 kg/m

3

)

evapora y entra en equilibrio con el aire a 21,0 °C y 101 kPa. ¿Que volumen ocupara? Rta: 699 L.

2.9

Cierta cantidad de oxígeno que inicialmente se encuentra en CNPT es sometida a una transformación isotérmica,

de modo que su presión aumenta hasta un valor cinco veces mayor al de la presión inicial. Luego de este

proceso, mediante una transformación isocórica, el gas recobra su presión inicial. Con esta información, se pide:

(a) Representar el proceso completo en un diagrama

p-V, indicando el sentido de las transformaciones e

identificando los estados inicial, intermedio y final. (b) Indicar cómo es la temperatura final del gas con respecto

a la temperatura inicial. Justificar la respuesta. (c) Luego de la primera transformación, ¿el volumen de gas se ha

reducido o ha aumentado? ¿Por qué? (d) La densidad del gas, ¿se modifica en algún momento? (Explicar) (e)

¿Cómo es la densidad del gas al final del proceso en comparación con la densidad en un principio?

2.10

Use la ley del gas ideal para estimar el número de moléculas de aire que hay en su laboratorio de física,

suponiendo que todo el aire es N2.

-

Van der Walls

3.1

En el caso del gas oxígeno, la ecuación de estado de van der Waals logra su mejor ajuste para a = 0,14 N·m

4

/mol

2

y

b=

3,2·10

-5

m

3

/mol. Determine la presión en 1,0 mol del gas a 0°C, si su volumen es 0.70 L, usando

a) la

ecuación de van der Waals, b) la ley del gas ideal. Rta: (a) 3,11·10

6

Pa, (b) 3,24·10

6

Pa

3.2

La constante b en la ecuación de van der Walls es 43 cm

3

/mol y la constante a es 0,37 Nm

4

/mol

2

, ambas para el

CO2. Calcule la presión a 0ºC para un volumen específico de 0,55 l/mol considerando al CO2 como (a) un gas real,

y (b) un gas ideal. Rta: (a) 3,3.10

6

Pa y (b) 4,1.10

6

Pa

3.3

A 300 K, una muestra de 8,50 moles de dióxido de carbono ocupa un volumen de 0,220 m

3

. Calcule la presión de

gas, primero de acuerdo con la ley del gas ideal, y luego usando la ecuación de estado de van der Waals. (Los

valores para

ay

b

se dan en el ejercicio anterior) En este rango de presión y volumen, la ecuación de van der

Waals es muy exacta. ¿Qué error porcentual cometió al suponer un comportamiento de acuerdo con la ley del

gas ideal? Rta: Ideal: 96 320 Pa, van der Walls: 95 928 Pa, error porcentual: ~4%

-

Problemas de gases ideales y de humedad.

4.1

Meteorología

. La presión de vapor es la presión de la fase de vapor de una sustancia cuando está en equilibrio

con la fase sólida o líquida de la sustancia. La humedad relativa es la presión parcial del vapor de agua en el aire

dividida entre la presión de vapor del agua a esa misma temperatura, expresado como porcentaje. El aire está

saturado cuando la humedad es del 100%.

a) La presión de vapor del agua a 20,0 °C es de 2,34·10

3

Pa. Si la

temperatura del aire es de 20,0 °C y la humedad relativa es de 60%, determine la presión parcial del vapor de

agua en la atmósfera (esto es, la presión debida exclusivamente al vapor de agua).

b) En las condiciones del

inciso a), ¿qué masa de agua hay en 1,00 m

3

de aire? (La masa molar del agua es de 18,0 g/mol. Suponga que el

vapor de agua puede tratarse como gas ideal.) Rtas: (a) 1.40·10

3

Pa, (b) 10 g.

(3)

3

4.3

En un día de invierno se hace entrar en una casa aire del exterior a 0°C y con una humedad de 30%. ¿Cuál será la

humedad del aire cuando alcance una temperatura de 20°C?

4.4

El punto de rocío.

La presión de vapor del agua disminuye al bajar

la temperatura. Si se mantiene constante la cantidad de vapor de

agua en el aire mientras se enfría éste, se llega a una

temperatura, llamada punto de rocío, en la que la presión parcial y

la presión de vapor coinciden y el vapor está saturado. Si el aire se

enfría más, se condensará vapor a líquido hasta que la presión

parcial otra vez sea igual a la presión de vapor a esa temperatura.

Suponga que la temperatura en un cuarto es de 30,0 °C y que un

estudiante enfría una lata metálica agregándole gradualmente

agua fría. Cuando la temperatura de la lata llega a 16,0 °C, se

forman gotas de agua en la superficie exterior de la lata. Calcule la

humedad relativa del aire del cuarto a 30,0 °C. La tabla de la

derecha indica la presión de vapor del agua a diversas

temperaturas. (Rta: 42,6%)

4.5

Altura a la que se forman nubes.

En un día primaveral la temperatura del aire en la superficie es de 28,0 °C. Se

forman abullonadas nubes cúmulo a una altura en la que la temperatura del aire es igual al punto de rocío. Si la

temperatura del aire disminuye al aumentar la altura, a razón de 0,6 C°/100 m, ¿a qué altura sobre el suelo se

formarán las nubes si la humedad relativa en la superficie es de 35%? ¿y si la humedad en el suelo fuese de 80%?

(Sugerencia: use la tabla del problema anterior). Rtas: 3 km y 1 km.

4.6

(a) En un día caluroso la temperatura es de 30ºC y la presión parcial de vapor de agua en el aire es de 21,0

mmHg. ¿Cuál es la humedad relativa? Rta: 66 %. (b)

4.7

¿Cuál es la temperatura aproximada de rocío cuando la humedad es de 60 por ciento en un día en el que la

temperatura es de 20ºC? Rta: 12ºC

4.8

¿Cuál es la presión del aire en un lugar en donde el agua hierve a 90ºC? (Tenga en cuenta que durante la

ebullición, la presión de vapor debe ser igual a la presión externa) Rta: 0,69 atm.

4.9

¿Cuál es la temperatura en un día en el que la presión parcial de vapor de agua es 530 Pa y la humedad relativa,

del 40%? Rta: 11ºC

4.10

Si la humedad en una habitación que tiene un volumen de 850 m

3

es de 80 % a una temperatura de 25ºC,

¿Cuánta agua podrá evaporarse de un recipiente destapado? Rta: 3,9 kg

4.11

En un día de invierno, la temperatura es de 11°C, la presión atmosférica es de 1010 hPa y la humedad

relativa es del 90 %. Calcule a) la presión parcial del vapor de agua si la presión de vapor saturado para dicha

temperatura es 1300 Pa, b) la fracción molar del vapor de agua, c) la cantidad de moléculas de agua contenidas

en 1 m

3

de aire.

-

Problemas de Calorimetría.

5.1

¿Cuántas kilocalorías consume una persona que come medio paquete de galletitas (70 g) cuyo valor energético

es 2000 kJ por cada 100 g? (Rta: 335 kcal).

5.2

¿Qué cantidad de calor es necesaria entregar a 1 kg de hierro para aumentar su temperatura en 80° C? El calor

específico del hierro es cFe = 0,112 kcal/kg °C. (Rta: 8,96 kcal)

5.3

a) Determine la cantidad de calor que debe absorber 1 L de agua para elevar su temperatura desde 20 °C hasta

90°C. b) Suponga que para hacerlo se utiliza un calentador eléctrico de 200 W y que toda la potencia se invierte

en calentar el agua, ¿cuánto tiempo demora el proceso? Rtas: a) 70 kcal = 293 kJ, b) 25 min.

5.4

¿Qué masa de aluminio tiene la misma capacidad calorífica que 1 kg de agua? El calor específico del aluminio es

c

Al = 0,22 kcal/kg°C. (Rta: 4,55 kg)

5.5

Un calorímetro está compuesto de un recipiente de latón (aleación cobre-zinc) de 70 g, un agitador de latón de

40 g y un termómetro de masa despreciable. a) ¿Cuál es la capacidad calorífica del calorímetro? Para el latón,

clatón= 0,092 kcal/kg°C. (Rta: 10,12 cal/ºC).

(4)

4

5.7

Al correr, un estudiante de 70 kg genera energía térmica a razón de 1200 W. Para mantener una temperatura

corporal constante de 37 °C, esta energía debe eliminarse por sudor u otros mecanismos. Si tales mecanismos

fallaran y no pudiera salir calor del cuerpo, ¿cuánto tiempo podría correr el estudiante antes de sufrir un daño

irreversible? (Nota: las estructuras proteínicas del cuerpo se dañan irreversiblemente a 44 °C o más. La

capacidad caloríficaespecífica del cuerpo humano es de alrededor de 3480 J/kg·K, poco menos que la del agua; la

diferencia se debe a la presencia de proteínas, grasas y minerales, cuyo calor específico es menor que el del

agua.) (Rta: alrededor de 24 min).

5.8

Aire caliente en una clase de física. a) Un estudiante típico que escucha atentamente una clase de física produce

100 W de calor. ¿Cuánto calor desprende un grupo de 90 estudiantes de física, en un aula durante una clase de

50 min? b) Suponga que toda la energía térmica del inciso a) se transfiere a los 3200 m3 de aire del aula. El aire

tiene un calor específico de 1020 J/(kg.K) y una densidad de 1.20 kg/m3. Si nada de calor escapa y el sistema de

aire acondicionado está apagado, ¿cuánto aumentará la temperatura del aire durante tal clase? c) Si el grupo

está en examen, la producción de calor por estudiante aumenta a 280 W. ¿Cuánto aumenta la temperatura en

50 min en este caso?

5.9

Normalmente la temperatura de la piel es 34ºC y la del organismo 37ºC. a) Calcular las perdidas por conducción

si la conductividad calorífica vale 121 cal x 10

-3

cal/(cm.s.ºC) y este flujo se establece en una distancia de 3cm. b)

¿En cuánto se incrementaría esta cantidad si la temperatura de la piel fuera 15ºC? (suponer que el área

superficial es 1,8m2). Sol: a)21,78 cal/s b)159,72 cal/s

5.10

Una cacerola de aluminio de 15cm de diámetro llena de agua, está en un hornillo. Cada minuto hierven 300g

de agua. ¿A qué temperatura está la parte exterior del fondo de la cacerola si su espesor es de 2 mm,

despreciando las pérdidas térmicas, sabiendo que la conductividad térmica del aluminio es de 210 J/(s.m.K)?

(Calor Latente de ebullición 539kcal/kg) Sol: 379,1 K

5.11

Una caja de dimensiones 0,5 x 0,3 x 0,3m está aislada con un material de espsor que tiene una conductividad

térmica de 10

-3

kcal/(s.m.k). Si la diferencia de temperaturas entre el exterior y el interior es de 35ºC ¿Cuánta

energía atraviesan las paredes de la caja por segundo? b) ¿cuánto hielo se fundirá en una hora dentro de la

caja?(calor latente de fusión del hielo, 79,7 kcal/kg) Sol. a)1,51 kcal/s b) 67.97kg

5.12

En el interior de una célula esférica en reposo de 10.000 A de radio, se producen reacciones metabólicas que

producen una energía de 1,7 cal/h. La célula está en un medio acuoso a 20ºC y su temperatura se ha de

mantener constante a 30ºC. ¿Cuál será la máxima potencia que puede desarrollar la célula si la conductividad

térmica celular es de 0,80 cal/(K.cm.h) siendo el espesor de la membrana 100 A?Sol. 5,12ºC

5.13

El ritmo metabólico de un insecto vale 12cal/h y su temperatura es de 20ºC. ¿A qué temperatura se

mantendrá en invierno si reduce su ritmo metabólico a la mitad y se protege con una capa de segregaciones de

un milímetro de espesor y de conductividad térmica de 10 cal/(K.h.cm)(Temperatura ambiente invernal, 5ºC;

superficie del insecto 0,5cm

2

). Sol. 5,12ºC

5.14

Una persona desnuda con un cuerpo de 1,5m2 de área y con la piel a 40ºC de temperatura está en un sauna

a 80ºC. a) ¿Cuánto calor absorbe la persona por radiación de las paredes, suponiendo que el coeficiente de

emisión vale 1? b) ¿Cuánto calor absorbe la persona por conducción suponiendo que la conductividad calorífica

vale 1,21x10

-3

cal/(cm.s.ºC) y que el flujo se establece en una distancia de 3 cm? c) ¿cuánta energía radia la

persona? d) ¿Qué potencia debe disipar la persona para que su temperatura no aumente? e) ¿Cuánto sudor ha

evaporado por hora, suponiendo que no haya ninguna transferencia convectiva?(despreciése la producción

metabólica de calor. Calor latente de ebullición del sudor: 539cal/g)Sol: a) 317,1cal/s b) 242 cal/s c)196 cal/s d)

1506W e) 2,4kg/h

5.15

Antes de someterse a su examen médico anual, un hombre de 70,0 kg cuya temperatura corporal es de 37,0

°C consume una lata entera de 0,355 L de una bebida gaseosa (principalmente agua) que está a 12,0 °C.

a)

Determine su temperatura corporal una vez alcanzado el equilibrio. Desprecie cualquier calentamiento por el

metabolismo del hombre. El calor específico del cuerpo del hombre es de 3480 J/kg·K. b) En la situación descrita

el metabolismo del hombre hará que, en algún momento, la temperatura de su cuerpo (y de la bebida que

consumió) vuelva a 37,0 °C. Si su cuerpo desprende energía a una tasa de 7,00·10

3

kJ/día (la

tasa metabólica

basal,TMB), ¿cuánto tardará en hacerlo? Suponga que toda la energía desprendida se invierte en elevar la

temperatura. (Rta: a) 36,85, b) 8 min.)

(5)

5

5.17

Dentro de un calorímetro tenemos 100g de triclorometano a 35ºC. El recipiente está rodeado de 1,75kg de

agua a 18ºC. Transcurrido un cierto tiempo, los dos productos están a la misma temperatura de 18,22ºC. ¿Cuál

es el calor específico del triclorometano?

5.18

Para tener una idea de cuánta energía térmica está contenida en los océanos del mundo, estime el calor

liberado cuando un cubo de agua de océano, de 1 km por lado, se enfría en 1 K. (Aproxime el agua del océano

como agua pura para esta estimación).

5.19

Un técnico mide el calor específico de un líquido desconocido sumergiendo en él una resistencia eléctrica. La

energía eléctrica se convierte en calor transferido al líquido durante 120 s con tasa constante de 65 W. La masa

del líquido es de 0,780 kg y su temperatura aumenta de 18,6 °C a 22,5 °C. a) Calcule el calor específico promedio

del líquido en este intervalo de temperatura. Considere que la cantidad de calor que se transfiere al recipiente es

despreciable y que no se transfiere calor al entorno. b) Suponga que no es posible despreciar la transferencia de

calor del líquido al recipiente o al entorno en este experimento. ¿El resultado de a) es mayor o menor que el

calor específico promedio real del líquido? Explique su respuesta. (Rta: a) 2564 kJ/kg·K, b) el calculado es mayor

que el real).

5.20

Una audiencia de 1800 personas llena una sala de conciertos de 22,000 m

3

de volumen. Si no hubiera

ventilación, ¿en cuánto se elevaría la temperatura del aire durante un periodo de 2,0 h como resultado del

metabolismo de las personas (70 W/persona)?

Calor en los cambios de estado

5.21

(a) Determine la cantidad de calor que debe absorber una masa de 150 g de hielo, inicialmente a -15 ºC para

convertirse en vapor de agua a 100 ºC. (b) Represente gráficamente la temperatura en función del calor

absorbido.

5.22

Cien gramos de hielo a 0°C se mezclan con 600 g de agua a 25°C. ¿Cuál será la temperatura de equilibrio para

la mezcla? Rta: 10°C.

5.23

Un recipiente abierto con masa despreciable contiene 0,550 kg de hielo a -15,0 °C. Se aporta calor al

recipiente a una tasa constante de 800 J/min durante 500 min. a) ¿Después de cuántos minutos comienza a

fundirse el hielo? b) ¿Cuántos minutos después de iniciado el calentamiento, la temperatura comienza a elevarse

por encima de 0,0 °C? c) Dibuje una curva que indique la temperatura en función del tiempo transcurrido. Rta: a)

22 min, b) 251 min.

5.24

La evaporación del sudor es un mecanismo importante para controlar la temperatura de algunos animales

de sangre caliente. a) ¿Qué masa de agua debe evaporarse de la piel de un hombre de 70,0 kg para enfriar su

cuerpo 1,00 C°? El calor de vaporización del agua a la temperatura corporal de 37 °C es de 2,42·10

6

J/kg·K. La

capacidad calorífica específica del cuerpo humano es de 3480 J/kg·K. (b) ¿Qué volumen de agua debe beber el

hombre para reponer la que evaporó? Compárelo con el volumen de una lata de bebida gaseosa (355 cm

3

). (Rta:

a) 101 g, b) menos de 1/3 de lata.)

5.25

En un calorímetro de capacidad calorífica

Ccal = 40 cal/ºC hay 200 g de agua y 50 g de hielo, todo a 0 °C.

Dentro de él se vacían 30 g de agua a 90 °C. ¿Cuáles serán las condiciones finales del sistema? (Rta: tf = 0°C, sólo

se fundieron 34 g de hielo.

Mecanismos de transferencia de calor

6.1

(a) El vidrio de una ventana mide 2,00 m × 1,50 m, y tiene 4,00 mm de espesor. ¿Cuánto calor fluye a través del

vidrio en 1,00 h, si hay una diferencia de temperatura de 2 C° entre las superficies interior y exterior? (Considere

únicamente la conducción.) (b) Si se utiliza una ventana de doble vidrio, ambos de las dimensiones indicadas en

el punto (a) y separados por una capa de aire de 3 mm ¿ Cuánto calor fluye a través de la ventana? Rtas: (a) 4,32

× 10

6

J.

6.2

Una habitación se calienta con una estufa de 4.000 W de potencia. La temperatura exterior es igual a 3 ºC. Las

pérdidas de calor de la habitación se producen a través del vidrio de una ventana de 3 m2 de superficie y 1 cm

de espesor. ¿Qué temperatura alcanza la habitación? (Tómese el valor de la conductividad térmica del vidrio de

la tabla. Sol.: 19 ºC.

(6)

6

6.4

Suponga que su piel tiene una emisividad de 0,70, una temperatura normal de 34°C y un área total expuesta de

0,25 m

2

. ¿Cuánta energía térmica pierde cada segundo debido a la radiación, si la temperatura exterior es de

22°C? Rta: 13 J.

6.5

Conducción de calor a la piel. Suponga que 150 W de calor fluyen por conducción de los capilares sanguíneos

bajo la piel al área superficial del cuerpo de 1.5 m2. Si la diferencia de temperatura es de 0.50 C°, estime la

distancia promedio de los capilares bajo la superficie de la piel.

6.6

a) Si se duplica la temperatura Kelvin de un objeto, su potencia irradiada se incrementa 1) 2 veces, 2) 4 veces, 3)

8 veces, 4) 16 veces. Explique su respuesta. b) Si su temperatura aumenta de 20 a 40°C, ¿por cuánto cambia la

potencia irradiada?

6.7

Para calentamiento solar se usan colectores como el que se muestra en

la figura. En las horas en que hay luz solar, la intensidad promedio de la

radiación solar en la parte superior de la atmósfera es de

aproximadamente 1400 W/m

2

. Cerca del 50% de tal radiación solar llega

la Tierra durante el día. (El resto se refleja, se dispersa, se absorbe, etc.)

¿Cuánta energía térmica captará, en promedio, el colector cilíndrico de

la figura durante 10 horas de captación en el día? Rta: 10

8

J.

6.8

DESAFÍO

Un paseo en el Sol. Considere una pobre alma perdida que camina a 5 km/h en un día caluroso en el

desierto, vestida sólo con un traje de baño. La temperatura de la piel de esta persona tiende a aumentar por 4

mecanismos i) se genera energía por reacciones metabólicas en el cuerpo a una tasa de 280 W, y casi toda esta

energía se convierte en calor que fluye hacia la piel; ii) se suministra calor a la piel por convección del aire

exterior con una rapidez de k’.Apiel.(Taire - Tpiel), donde k es la constante para esa persona y vale 54 J/(h.C°) y el

área de piel expuesta Apiel es de 1.5 m2, la temperatura del aire Taire es de 47 °C y la temperatura de la piel

Tpiel, es de 36 °C; iii) la piel absorbe energía radiante del Sol a una tasa de 1400 W/m2; iv) la piel absorbe

energía radiante del entorno, que tiene una temperatura de 47 °C. a) Calcule la tasa neta (en watts) con que

estos cuatro mecanismos calientan la piel de la persona. Suponga que la emisividad de la piel es e=1 y que su

temperatura inicial es de 36 °C. ¿Qué mecanismo es el más importante? b) ¿Con qué rapidez (en L>h) debe

evaporarse sudor de la piel de esta persona para mantener una temperatura constante en la piel? (El calor de

vaporización del agua a 36 °C es de 2.42 x 10

6

J/kg.) c) Suponga ahora que la persona está protegida por ropa

clara, de modo que el área de piel expuesta es de sólo 0.45 m2. ¿Qué tasa de transpiración se requiere ahora?

Comente la utilidad de la vestimenta tradicional que usa la gente del desierto.

Dilatación Térmica

7.1

¿Qué cambio de temperatura producirá un incremento de 0.10% en el volumen de una cantidad de agua que

inicialmente estaba a 20°C?

7.2

Cuando se expone a la luz solar, un agujero en unahoja de cobre expande su diámetro en 0.153% en

comparacióncon su diámetro a 15°C. ¿Cuál es la temperatura dela hoja de cobre al sol?

7.3

La longitud de una columna de mercurio en un termómetro sumergido en agua con hielo es de 4,0cm. Al

sumergirlo en agua hirviendo, su longitud es 24,0 cm. ¿Cuál será su longitud a 22°C? Si sumergimos el

termómetro en una sustancia a temperatura desconocida, y la columna de mercurio mide 25,4 cm, ¿Cuál es la

temperatura de la sustancia?

7.4

Una viga de acero de 10 m de longitud se instala en una estructura a 20°C. ¿Cómo cambia esa longitud en los

extremos de temperatura de –30 y 45°C?

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