Índice
Pág.
Cap. 1 Temperatura y Calor... 5
Cap. 2 Equilibrio térmico ... 18
Cap. 3 Cambio de fase ... 25
Cap. 4 Repaso mensual ... 34
Cap. 5 Termodinámica I ... 36 Cap. 6 Termodinámica II ... 43 Cap. 7 Vectores ... 51 Cap. 8 Repaso ... 63 Cap. 9 Estática ... 66 Cap. 10 Dinámica ... 78 Cap. 11 Electrostática ... 87
Cap. 12 Repaso mensual ... 98
Cap. 13 Fuerzas eléctricas ... 101
Cap. 14 Campo eléctrico ... 109
Cap. 15 Campo eléctrico uniforme ... 117
Cap. 16 Repaso ... 134
FÍSICA
2014 - TRILCE Departamento de Publicaciones
TRILCE
Física
Pág.
Cap. 17 Corriente eléctrica ... 141
Cap. 18 Ley de Ohm ... 148
Cap. 19 Asociación de resistores ... 154
Cap. 20 Repaso mensual ... 162
Cap. 21 Circuitos eléctricos ... 165
Cap. 22 Leyes de Kirchhoff ... 173
Cap. 23 Guía de experimentos ... 180
Cap. 24 Repaso ... 183
Cap. 25 Campo magnético ... 187
Cap. 26 Fuerza magnética ... 201
Cap. 27 Ondas electromagnéticas ... 211
Cap. 28 Repaso mensual ... 222
Cap. 29 Reflexión de la luz ... 225
Cap. 30 Refracción de la luz ... 235
Cap. 31 Experimento ... 245
COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO
TEMPERATURA
"La temperatura es una magnitud física escalar, que describe de forma cuantitativa la calidez o la frialdad de la materia".
El origen de esta definición, se fundamenta en la experiencia de uso del sentido del tacto. Este sentido nos brindó la idea cualitativa de lo que era la materia "caliente" o "fría". Así, si un cuerpo se siente caliente; entonces, debe tener una temperatura más elevada que el mismo cuerpo cuando se siente frío.
Sin embargo, luego se comprobó, que esta definición era ambigua. Esto es debido, a que, nuestro sentido del tacto nos puede engañar. El cerebro malinterpreta las sensaciones, pues toma una referencia circunstancial.
La temperatura, vista de este modo, es una propiedad de la materia inherentemente macroscópica. Además, muchas propiedades medibles de la materia dependen de la temperatura. Como por ejemplo: la longitud, la presión de un gas encerrado, la resistencia eléctrica, etc. Posteriormente también se definió la temperatura basándose en su relación con las energías cinéticas de las moléculas de la materia. Esta definición se construyó basándose en la teoría cinética molecular.
"La temperatura es una magnitud física escalar, y es proporcional a la energía cinética media de las moléculas de la materia".
1
Observación:
Debemos recordar los conceptos de energía mecánica desarrollados el año anterior, en este mismo curso.
Nota: Las sustancias están formadas por partículas, átomos y moléculas que están en constante movimiento. Tanto en un caluroso día de verano como en una helada noche de invierno, nuestro organismo necesita mantener una TEMPERATURA casi constante. Nuestro cuerpo con mecanismos eficaces para controlar la TEMPERATURA, a veces necesita ayuda. En un día caluroso, usamos menos ropa para mejorar la transferencia de CALOR del cuerpo al medio ambiente y tal vez tomemos bebidas frías. En cambio en un día frío, usamos ropa más gruesa o nos quedamos en habitaciones interiores donde hay más calor. En este capítulo aprenderemos a diferenciar el CALOR y la TEMPERATURA.
Introducción
T
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C
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Temperatura y Calor
1
La primera figura muestra la representación de las partículas de un cuerpo. En la segunda figura las partículas vibran más intensamente, por lo tanto la temperatura es mayor.
Para cualquier forma de materia, la temperatura no depende del número de partículas del cuerpo. Si una masa de acero de un kilogramo se encuentra a 20 ºC y una masa de acero de 2 kg está a la misma temperatura, la energía cinética media de las partículas en ambas masas es la misma; sin embargo, la cantidad total de energía cinética de las partículas en la masa de dos kilogramos es mayor. La energía térmica en un cuerpo es proporcional al número de sus partículas, mientras que su temperatura no lo es.
MEDIDA DE LA TEMPERATURA
La medida de la temperatura se realiza por medio de los termómetros, cuyo funcionamiento se basa, generalmente, en el fenómeno de dilatación.
El más sencillo y conocido es el termómetro de mercurio; al calentar la parte inferior, el mercurio se dilata y sube por el tubo capilar indicando un valor en la escala que acompaña al tubo.
Las escalas de temperatura fueron desarrolladas por los científicos para poder comparar sus medidas de temperatura e intercambiar los resultados con otros científicos.
Con base en las propiedades del agua el físico sueco Anders Celsius (1704-1744) desarrolla en 1741 una escala de temperatura. En esta escala, denominada Celsius, el punto de congelamiento del agua pura es 0 grados (0 ºC) y el punto de ebullición del agua pura al nivel del mar es de 100 grados (100 ºC). En la escala Celsius la temperatura del cuerpo humano es 37 ºC. Para temperaturas más frías que el punto de congelamiento del agua la lectura será un número negativo.
La escala aún usada en la vida cotidiana en Estados Unidos, es la escala Fahrenheit. En esta escala el punto de congelamiento del agua es 32 grados (32 ºF) y el punto de ebullición 212 grados (212 ºF).
Se puede deducir que una variación de 100 ºC (100-0) equivale a una variación de 180 ºF (212-32).
E
SCALAS DE
T
EMPERATURA
Escalas Fahrenheit y Celsius en un termómetro.
Observación:
En el caso de los sólidos, cada una de estas partículas están unidas a las que se encuentran próximas a ellas por medio de una fuerza de atracción, que la podemos representar como si estuvieran unidos por resortes, sin masa.
Física
Una variación de 100ºC <> Una variación de 180ºFLa escala kelvin es la que se emplea en la investigación científica, es la escala del Sistema Internacional de unidades (SI). Se le asigna el número 0 (cero) a la temperatura más baja posible: EL CERO ABSOLUTO. A esta temperatura toda la energía interna se habrá suprimido. No puede haber una temperatura inferior a esta. El cero absoluto corresponde a -273,15 ºC y el punto de congelamiento del agua corresponde a 273,15 K. Además, se deduce que una variación de 1 ºC equivale a una variación de 1 K.
En la escala Kelvin, la temperatura no se expresa en grados Kelvin (ºK) solo se debe expresar el Kelvin (K).
T = 423 ºK (mal expresado) T = 423 K (bien expresado)
Existe un amplio rango de temperaturas en el Universo y se indica en la figura siguiente. La temperatura parece no tener un límite superior. La temperatura interior del Sol es por lo menos 107 K.
Otras estrellas son aún más calientes. Sin embargo, la temperatura tiene límite inferior, el cero absoluto. Celsius
Escalas de Temperatura
Agua congelada Temperatura del cuerpo humano Agua hirviendo
-273,15º 0º 37º 100º Kelvin Fahrenheit 0 273 (Aprox.) 310 373 -460º 32º 98º 212º K = °C + 273 ∆ °C = ∆K
ENERGÍA INTERNA
Los resortes representan las fuerzas electromagnéticas de enlace que mantienen unido al sólido. Las partículas vibran hacia adelante y hacia atrás y por ello tienen ENERGÍA CINÉTICA. Las vibraciones comprimen y estiran los resortes y por tanto el sólido también tiene ENERGÍA POTENCIAL. La suma de las energías cinética y potencial del movimiento interno de las partículas que constituyen un cuerpo se denomina ENERGÍA INTERNA.
Las moléculas en un sólido se comportan como si estuvieran unidas por resortes.
La energía interna es la suma de las energías cinética y potencial de todas las partículas que constituyen el cuerpo.
C F
5 = −932 T5ºC = T9F
Importante
Temperatura y Calor
1
En el Universo existe un rango de temperatura extremadamente amplio. Observe que la escala ha sido ampliada en áreas de interés particular.
Espacio interestelar Cuerpo humano Superficie del Sol Bomba nuclear
10-8 10-6 10-4 10-2 1 10 103 104 105 106 107 108 109 1010 Temperatura más baja en el laboratorio Helio líquido Superconductividad Existe la vida Existen átomos sin carga Existen los núcleos Temperatura (K) 100 Explosiones de Supernova Centro del Sol Llama
CALOR (Q)
Se denomina CALOR a la energía que se transmite de una sustancia a otra y solo se le llama así durante el proceso de transmisión, en el instante en que se almacena en la segunda sustancia se convierte en ENERGíA INTERNA. Si tocas una tetera caliente pasa energía de ella a la mano por que la tetera está más caliente que tu mano. Pero si tocas un trozo de hielo, tu mano cede energía térmica al hielo que está más frío. El sentido de la transferencia espontánea de calor es siempre de la sustancia más caliente a la más fría.
La energía que pasa del cuerpo 1 al cuerpo 2 que está a menor temperatura, se denomina CALOR. C A L O R (Q) T2 T1 T1>T2 m2 m1 m1 m2
Física
El calor es la "energía en tránsito" de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura, con la cual el cuerpo de menor temperatura (T2) aumenta su energía interna, aumentando por lo tanto su temperatura, mientras que el cuerpo de mayor temperatura (T1) disminuye su energía interna, disminuyendo por lo tanto su temperatura. Este proceso continúa hasta que ambas temperaturas se igualen.El calor es la energía que se transfiere debido a una diferencia de temperaturas. El calor fluye espontáneamente del objeto más caliente al más frío.
¿Podremos decir que un cuerpo a 80 °C tiene más calor que un cuerpo a 20ºC? Respuesta:
NO SE PUEDE. Ninguno de los dos cuerpos contiene calor. El calor solo existe cuando fluye la energía térmica del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. Lo que podemos decir es que el cuerpo a 80ºC tiene mayor TEMPERATURA que el cuerpo a 20ºC.
La materia no contiene calor,
sino energía interna
UNIDADES DEL CALOR
Como el calor es energía en tránsito se expresará en las unidades de energía del Sistema Internacional que es el Joule (J). Otra unidad de calor es la caloría (cal), que se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ºC.
También se utiliza la kilocaloría (kcal) que es igual a 1000 cal.
Una frazada ‘‘calientita’’ no te da calor; simplemente retarda la transferencia de calor de tu cuerpo al medio ambiente.
Importante
Importante
Problema resuelto
Temperatura y Calor
1
Equivalente mecánico del calor
Mediante el siguiente montaje en el año 1878, James Joule pudo demostrar por primera vez la equivalencia entre el trabajo y el calor.
Mientras la pesa desciende, su energía potencial mecánica hace girar las paletas, calentando el agua y demostrándose que: 1 cal = 4,18 J
1 cal = 4,18 J O también:
1 cal = 4,18 J 1 J = 0,24 cal
Con este y otros experimentos, James Joule encontró que una determinada cantidad de trabajo era equivalente a una cantidad de calor.
Cuando frenas un automóvil, la energía cinética se transforma
en calor.
CALOR ESPECÍFICO (Ce)
El calor específico se define como la cantidad de calor necesaria que debe añadirse a una unidad de masa para que su temperatura se incremente en una unidad.
Q
Agua
Física
En el Sistema Internacional de unidades (SI) el calor específico (Ce), se mide en J/(kg.K).
Por ejemplo, para implementar la temperatura en un kelvin de un kilogramo de hierro se debe añadir 470 J de energía. Entonces el calor específico del hierro es 470 J/(kg.K).
El calor específico, es un valor que depende de la sustancia, en la siguiente tabla se muestra el calor específico de algunas sustancias.
TABLA Nº 1
CALOR ESPECÍFICO DE SUSTANCIAS COMUNES
Aluminio Bronce Carbón Hielo Hierro Plomo Mercurio Plata Agua Vapor de agua Vidrio Zinc 910 376 710 2100 470 130 138 234 4180 2020 664 388 0,217 0,090 0,170 0,500 0,112 0,031 0,033 0,056 1,000 0,483 0,158 0,092
SUSTANCIA CALOR ESPECÍFICO(J/kg.K) CALOR ESPECÍFICO(cal/g.ºC)
Ejemplo 1 1g de zinc
+
0,092 caloría=
31 °C Ejemplo 2 1g de carbón+
0,17 caloría=
31 °C Ejemplo 3 1g de agua+
1 caloría=
31 °C 30 °C 30 °C 30 °CTemperatura y Calor
1
PROBLEMA 1
Un cuerpo cuya capacidad calorífica es de 250 cal/°C se encuentra a 20 °C, ¿cuántas calorías se le debe suministrar para elevar su temperatura hasta 52 °C?
Resolución Identificando los datos: Ti = 20 °C Tf = 52 °C C = 250 cal/°C Despejando de la ecuación de capacidad calorífica: → Q = C . ∆T Q = 250 cal/°C (52 °C - 20 °C) Q = 8000 cal C = Q∆T
CALOR SENSIBLE (Q)
Es el calor absorbido o liberado por un cuerpo o sustancia cuando cambia su temperatura.
Q = m.Ce.∆T ... 1
Donde: m = Masa del cuerpo o sustancia
Ce = Calor específico
∆T = Variación de temperatura = Tfinal - Tinicial
S.I.: Sistema antiguo
CAPACIDAD CALORÍFICA (C)
Es la cantidad de calor que un cuerpo debe ganar o perder para elevar o disminuir su temperatura en una unidad.
C = Q Donde: Q = Cantidad de calor
∆T ∆T = Variación de temperatura Unidades: J k ; calºC ; kcalºC C = m . Ce ... 2 Observación Q m ∆T Ce J kg K kg.KJ Q m ∆T Ce Ca g ºC g ºCCal
Problema resuelto
Física
PROBLEMA 2Un bloque de aluminio de 4 kg se calienta desde 22 °C hasta 72 °C, ¿cuántas calorías absorbió el bloque? Resolución Si identificamos los datos tenemos:
m = 4 kg
Ce = 910 J/kg.K ... (ver Tabla N° 1) Ti = 22 °C Tf = 72 °C ∆T = 72 ºC - 22 ºC = 50 ºC < > 50 K Aplicamos la ecuación del calor sensible: Q =m.Ce.
∆TQ = (4 kg) (910 J/kg.K) (50 K) Q = 182 000 J
PROBLEMA 3
Un cubo de hierro de 450 g se enfría desde la temperatura de ebullición del agua hasta la temperatura ambiente (20ºC). ¿Cuántas calorías ha perdido el cubo?
Resolución
Identificando los datos tenemos:
m = 450 g
Ce = 0,112 cal/(g. °C)
Ti = 100 °C (temperatura de ebullición del agua) Tf = 20 °C Reemplazando en la ecuación 1: Q =
m.Ce.
∆T Q = 450 g (0,112 cal/g.°C)(100 °C - 20 °C) Q = 4032 cal PREGUNTA Supón que aplicas una flama para proporcionar cierta cantidad de calor a 1 litro de agua y que la temperatura del agua aumenta 2ºC. Si proporcionas la misma cantidad de calor a 2 litros de agua, ¿ en cuánto aumentará su temperatura?Preguntas para análisis
1. Si se coloca un termómetro al Sol directo, ¿mide la temperatura: del aire, del Sol o de otra sustancia? Explique. 2. ¿Cómo se mide la temperatura comúnmente?
3. ¿Por qué es incorrecto decir que los cuerpos poseen calor?
4. Una esfera caliente de acero se sumerge en un recipiente con agua fría. Explique la diferencia entre la energía térmica de la esfera y el calor.
5. ¿Es lo mismo temperatura que calor? Explique.
∆T = 2ºC ∆T = ?
Respuesta: Como aplicamos la misma cantidad de calor pero tenemos el doble de masa entonces la temperatura aumentará solo la mitad de la variación anterior, es decir: 2ºC ÷ 2 = 1ºC
Temperatura y Calor
1
Bloque I
1. La cantidad que nos dice que tan caliente y que tan frío está un objeto en comparación con una referencia es la __________________.
a) Masa b) Energía c) Temperatura d) Velocidad e) Densidad
2. Completar:
‘‘Un _____________ mide la temperatura mostrando la expansión y la contracción de un líquido, por lo común _______________ o alcohol coloreado, que se encuentra en un tubo de vidrio acompañado de una escala’’ a) Calorímetro - Agua b) Calorímetro - Mercurio c) Termómetro - Agua d) Termómetro - Mercurio e) Bimetálico - Mercurio
3. La unidad de temperatura en el S.I. es: a) Grado Celsius b) Rankine c) Grado Fahrenheit d) Joule e) Kelvin
4. Indique verdadero (V) o falso (F) según corresponda: I. El calor es la energía transferida debido a una
diferencia de temperaturas.
II. Un cuerpo caliente contiene mayor energía interna que un cuerpo frío del mismo tamaño y de la misma sustancia.
III. La unidad de calor en el S.I. es la caloría. a) V V V b) V V F c) V F V d) F V V e) V F F
5. Una tetera de plata de 0,5 kg se calienta desde 20 ºC hasta 60 ºC. Calcular la cantidad de calor que absorbió la tetera. (CeAg = 234 J/kg.K)
a) 2680 J b) 3680 c) 4680 d) 5680 e) 6680
6. Un anillo de plata de 10 g se calienta desde 20 ºC hasta 120 ºC. ¿Qué cantidad de calor absorbió el anillo? (CeAg = 0,056 cal/g.ºC)
a) 28 cal b) 56 c) 84
d) 112 e) 140
7. Un bloque de hierro de 150 g se calienta desde 20 ºC hasta 170 ºC, ¿qué cantidad de calor absorbió el bloque?
a) 2710 cal b) 3120 c) 3520 d) 2520 e) 1520
8. Una bala de plata de 25 g al chocar con una pared eleva su temperatura de 20 ºC a 80 ºC. ¿Qué cantidad de calor absorbió la bala? (CeAg = 0,056 cal/g.ºC)
a) 84 cal b) 92 c) 112 d) 172 e) 196
9. Calcule el calor específico de una sustancia que absorbe 600 calorías y eleva su temperatura de 15 ºC a 45 ºC, siendo su masa 800 g.
(en cal/g.ºC)
a) 0,075 b) 0,050 c) 0,025 d) 0,015 e) 0,005
10.Un bloque de plomo de 4 kg se calienta desde -15 ºC hasta 165 ºC. ¿Cuánto calor absorbe el bloque? (CePb = 130 J/kg.K)
a) 13 600 J b) 33 600 c) 53 600 d) 73 600 e) 93 600
Bloque II Completar
1. ‘‘De acuerdo a la teoría cinético molecular, un cuerpo caliente tiene más energía ______________ que un cuerpo similar frío’’.
a) Mecánica b) Interna c) Elástica d) Solar e) Externa
2. La unidad del calor en el S.I. es:
a) Newton b) Metro c) Joule d) Kelvin e) Celsius
3. La energía interna es la suma de las energías cinética y ______________________.
a) elástica b) potencial c) externa d) calorífica e) electromagnética
4. Indique verdadero (V) o falso (F) según corresponda: I. El calor es la energía que fluye espontáneamente
del cuerpo de mayor temperatura al cuerpo de menor temperatura.
II. La unidad de calor en el S.I. es el Joule.
III. El calor específico de una sustancia es la cantidad de energía que debe añadirse a una unidad de masa para que su temperatura se incremente en una unidad.
a) V V F b) V F V c) F V V d) V V V e) V F F
Física
5. Indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda:I. Si un cuerpo disminuye su temperatura, disminuye su energía interna.
II. Si dos cuerpos están en contacto y se encuentran a diferentes temperaturas fluye calor espontánea-mente del cuerpo más caliente al más frío. III. La temperatura es una cantidad de energía en
tránsito.
a) V F V b) V V F c) F V V d) F F V e) F V F
6. Indique verdadero (V) o falso (F) según corresponda: I. Las escalas de temperatura Celsius y Kelvin son
ampliamente utilizadas en el trabajo científico. II. El cero absoluto corresponde a -273 ºC.
III. La temperatura de un gas es proporcional a la energía cinética media de traslación de las partículas. a) V V F b) V F V c) V F F d) F V V e) V V V
7. ¿Qué cantidad de calor se necesita para elevar la temperatura de 150 g de agua de 18,5 ºC a 72 ºC? a) 8125 cal b) 7025 c) 8025
d) 7225 e) 9025
8. Un bloque metálico de medio kilogramo absorve 1200 calorías cuando su temperatura se eleva de 293 K a 303 K. Calcular el calor específico del metal en cal/g.°C.
a) 0,12 b) 0,18 c) 0,24 d) 0,36 e) 0,42
9. Por un alambre de cobre de 165 g de masa pasa una corriente eléctrica durante un corto tiempo, elevando su temperatura de 23 °C a 43 °C. ¿Qué cantidad de energía es transferida por la corriente eléctrica? (CeCu = 390 J/kg.K)
a) 1312 J b) 1416 c) 1532 d) 1618 e) 1287
10. Un bloque de hierro de 800 g se saca de un horno a 270 °C y se enfría hasta la temperatura ambiente (20 °C). ¿Qué cantidad de calor absorbe el medio ambiente?
(CeFe = 470 J/kg.K)
a) 94 kJ b) 72 c) 64 d) 162 e) 86
Bloque III
1. Un plato de porcelana que tiene una masa de 400 g y se encuentra a la temperatura ambiente de 20 ºC, se introduce en un lavaplatos a 70 °C. Si la temperatura del plato se iguala a la del lavaplatos, ¿cuánto calor absorbe el plato? Suponga que la masa del lavaplatos es suficientemente grande, de tal manera que su temperatura no varía apreciablemente.
(Ceplata = 780 J/kg.K)
a) 16,3 kJ b) 10,6 c) 12,4 d) 15,6 e) 18,9
2. Indique la verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones:
I. El calor es energía que puede ser almacenada en un recipiente.
II. El calor es energía en tránsito que una vez recibida se puede almacenar como energía térmica.
III. El calor fluye espontáneamente de un cuerpo con una temperatura más elevada a otro con una temperatura menor.
a) V V V b) V F V c) F V V d) F V F e) V F F
3. Determine la verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones sobre el calor específico:
I. Caracteriza a las sustancias.
II. Depende de la fase de las sustancias. III. En general, depende de la temperatura. IV. Es energía.
a) V V V V b) V F V F c) V V F F d) V V V F e) F V V V
4. Dos sustancias "A" y "B" de masas "m" y "2m" reciben la misma cantidad de calor y la primera eleva su temperatura en 60K y la segunda en 60°F, ¿en qué relación se encuentran los calores específicos de estas sustancias. (CeA/CeB)?
a) 109 b) 54 c) 45
d) 910 e) 53 PROBLEMA DESAFÍO
5. Una tetera de aluminio a 1,2 kg que contiene 1,5 kg de agua se pone en la estufa. Si no se pierde calor al entorno, ¿cuánto tiempo se empleará en elevar su temperatura de 20ºC a 80ºC, si la estufa irradia calor a razón de 4,2x105 J/min?
Temperatura y Calor
1
1. Indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda: I. La energía es igual a la temperatura.
II. El calor es energía contenida.
III. El calor es energía en tránsito entre dos cuerpos a diferente temperatura.
2. Indique qué proposiciones son correctas:
I. La unidad de medición de la temperatura según el S.I. es el Kelvin (K).
II. La unidad de medición de la energía según el S.I. es el Joule (J).
III. El calor se transmite de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura.
3. Relaciona correctamente:
I. Temperatura ( ) a) Joule II. Masa ( ) b) kilogramos III. Energía interna ( ) c) Kelvin 4. ¿Qué valores de temperaturas no existen?
I. - 10 K II. - 205 ºC III. - 420 ºF
E
l agua tiene una capacidad para almacenar energía mucho mayor que casi todos los materiales comunes. Una cantidad de agua relativamente pequeña absorbe una gran cantidad de calor que produce un aumento de temperatura de poca magnitud. Por esta razón el agua es un agente refrigerante muy útil que se utiliza en los sistemas de enfriamiento de los automóviles y de otros motores. Si en los sistemas de enfriamiento se emplease un líquido de menor calor específico, el aumento de temperatura sería mayor para una misma cantidad de calor absorbido. (Desde luego que, si la temperatura del líquido se hace igual a la del motor, ya no habrá enfriamiento). El agua también tarda más tiempo en enfriarse, unE
L ELEvADO CALOR ESPECÍFICO DEL AGUA
hecho que les resultaba útil a tus abuelos, quienes en las frías noches de invierno quizá metían botellas de agua caliente entre sábanas para calentarse los pies. Esta propiedad del agua de resistirse a los cambios de temperatura mejora el clima en muchos lugares. La próxima vez que examines un globo terráqueo observa la elevada latitud de Europa. Si el calor específico del agua no fuese grande, los países europeos serían tan fríos como las regiones del noreste de Canadá porque Europa y Canadá reciben aproximadamente la misma cantidad de energía del Sol por kilómetro cuadrado.
LECTURA
5. ¿Qué equivalencias son incorrectas? I. 1 cal = 4,186 J II. 1 J = 0,24 cal III. 10 cal = 4,186 J IV. 100 J = 24 cal 6. Relacione correctamente: I. Temperatura II. Calor
III. Energía interna
a) Mide el grado de agitación molecular.
b) Es la suma de las energías cinéticas y potenciales del movimiento molecular.
c) Forma de energía que se transmite de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. 7. La energía cinética de un automóvil es de 15 x 104 J. Si
toda la energía se convierte en calor, ¿cuántas calorías se obtendrían? (1 J = 0,24 cal).
8. Una masa de 250g eleva su temperatura de 30 ºC a 150 °C. Si su calor específico es 0,72 cal/g°C, ¿qué cantidad de calor absorbió?
Física
9. Un bloque de 800 g eleva su temperatura de 15 °C a40 °C luego de recibir 500 cal. Determine el calor específico en cal/g°C.
10. ¿Qué cantidad de calor se necesita para elevar la temperatura de 8kg de carbón de 20 °C a 170 °C? (Cecarbón = 710 .kg KJ )
11. Determine el calor específico de una sustancia que absorbe 1500 calorías elevando su temperatura de 23 °C a 168 ºC. La masa de la sustancia es 2 kg (en cal/g°.C).
12. Determine el calor específico de una sustancia de 1,2 kg de masa que absorbe 14 800 J y eleva su temperatura de 290 K a 350 K. (En J/kg.K)
13. Indique Verdadero (V) o Falso (F) según corresponda: I. El cero absoluto corresponde a -212,3 °C. II. El calor es energía en tránsito.
III. Un vaso con agua a 40 ºC posee la misma energía interna que un vaso con agua a 41 ºC.
14. Las unidades de temperatura, cantidad de calor y calor específico en el Sistema Internacional son, respectivamente:
15. Si dos masas "A" y "B" reciben la misma cantidad de calor y la primera aumenta su temperatura el doble que la segunda, determine la relación entre sus masas sabiendo que el calor específico de "A" es el triple que el de "B".
16. ¿Qué cantidad de calor se necesita para que dos litros de agua eleven su temperatura de 20 °C a 85 °C?
17. Un cuerpo de calor específico 0,3 cal/gºC recibe 600 cal cuando se encontraba a 18 °C. ¿Cuál será su temperatura final (en °C), si su masa es de 80 g? 18. ¿Qué cantidad de calor (en cal) se necesita para elevar
la temperatura de 280 g de agua de 14,5 °C a 37 °C? 19. Un bloque de aluminio de 400 g se saca de un horno
a 180 °C y se enfría en un chorro de agua hasta la temperatura ambiente de 20 °C. ¿Qué cantidad de calor (en cal) absorvió el chorro de agua?
(CeAl = 0,21 cal/g.ºC)
20. Dos recipientes "A" y "B" contienen masas iguales de un mismo gas a diferentes temperaturas siendo la temperatura de "A" mayor que la de "B".
Podemos afirmar que son verdaderas:
I. El gas "A" posee más energía interna que el gas "B. II. El gas "A" transmite calor al gas "B".
COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO
e
quilibrio
TérmiCo
m
1Q
Temperatura disminuyem
2Q
Temperatura aumentam
1m
2T =70C
1T =20C
2Q
Todos estamos familiarizados con la medición de la temperatura. Si alguien sospecha que tiene fiebre, puede colocar un termómetro en su boca y esperar tres o cuatro minutos. El termómetro proporcionará una medida de la temperatura de su cuerpo.
Probablemente estamos menos familiarizados con los procesos microscópicos involucrados en la medición de la temperatura. Nuestro cuerpo está caliente comparado con la temperatura del termómetro, que debe estar a la temperatura del medio ambiente. Las partículas de nuestro cuerpo tienen una energía cinética mayor. El termómetro está hecho con un tubo de vidrio y cuando nuestro cuerpo caliente se pone en contacto con él, las moléculas de nuestro cuerpo golpean a las partículas del vidrio. Estas colisiones transmiten energía a las partículas de vidrio y por lo tanto aumenta la energía cinética de las partículas que conforman el termómetro, esto continuaría hasta que la temperatura de ambos cuerpos sean iguales, estableciéndose el equilibrio térmico.
‘‘El termómetro registra la temperatura de la persona’’.
EQUILIBRIO TÉRMICO
Si tenemos dos cuerpos a diferente temperatura y aislados del medio ambiente existirá un flujo calorífico del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. El de mayor temperatura va disminuyendo su temperatura y el de menor temperatura irá aumentando su temperatura, hasta que los dos cuerpos alcancen la misma temperatura, se dice entonces que se ha establecido el equilibrio térmico.
El cuerpo de mayor temperatura sufre una disminución de su energía interna y el cuerpo de menor temperatura sufre un aumento de su energía interna, cumpliéndose que la suma de los calores es cero.
ΣQ = 0 QA + QB = 0 ... 1
T
1= 70ºC
T
2= 20ºC
m
2m
1Temperatura
disminuye
Temperatura
aumenta
Introducción
2
Física
m
1m
2Te = 40 CT
e = 40 C
EQUILIBRIO TÉRMICO
CALORÍMETRO
Es un dispositivo empleado para medir los calores específicos de sustancias desconocidas. Es un recipiente térmicamente aislado que contiene una cierta cantidad de un líquido a cierta temperatura, registrada en un termómetro colocado en su interior. Al colocar un cuerpo a una temperatura diferente, ocurriría una transferencia de calor hasta que se establece el equilibrio térmico.
Eq-agua = mcal x Cecal
2
Equilibrio térmico
300 g 100 g T= 20 C1 Te T= 80 C2Q
1+ Q = 0
2 QAl Qagua Qaleac aleación agua aluminio Ejemplo 1 En un recipiente de capacidad calorífica insignificante, se vierten 300 g de agua a 20°C y 100 g de agua a 80°C. ¿Cuál será la temperatura final de equilibrio? Resolución Ejemplo 2Se calienta 200 g de una aleación hasta 570 °C. A continuación se coloca 400 g de agua a 10 °C, dentro de un calorímetro de aluminio (Ce=0,22 cal/g °C) de 500 g. La temperatura final de la mezcla es 60 °C. Calcule el calor específico de la aleación.
Resolución
* Representamos los datos en un diagrama lineal:
Calor ganado por el agua 10 ºC 400 g (1) 500 g (0,22) 570 ºC 200 g (c) 60 ºC Te agua aluminio aleación Calor ganado por el aluminio QAL Qagua Qaleac Calor perdido por la muestra = 0 + + maguaCagua∆T + mAlCAl∆TAl + mmCm ∆Tm = 0 400(1)(60 - 10) + 500(0,22)(60 - 10) + 200Cm(60 - 570) = 0 400(50) + 110(50) + 200Cm(510) 50(510) = Cm(200)(510) Cem = 0,25 cal/g.ºC m1Ce.∆T + m2Ce.∆T = 0 Q1 T1 = 20 ºC Te T2 = 80 ºC Q2 300(1) (Te - 20) + 100 (1)(Te - 80) = 0 4Te = 140 Te = 35 ºC
Q
1+ Q
2= 0
300 g 100 gFísica
Física
Tus respuestas deben ser distintas. Si los materiales están en el mismo entorno, deben tener la misma temperatura: la temperatura ambiente. Así pues, ninguno de los dos está más frío en realidad. No obstante, el metal se siente más frío porque es mejor conductor; el calor pasa fácilmente de tu mano caliente hacia el metal frío.
Por otro lado, la madera es un mal conductor. Se transmite poco calor de la mano hacia la madera, por lo que la mano no percibe que está tocando algo más frío. La madera, la lana, la paja, el papel, el corcho y la espuma de poliestileno son malos conductores del calor; en cambio, son buenos aislantes porque retardan la transferencia de calor. Un mal conductor es un buen aislante.
El piso de loseta parece frío a los pies descalzos, mientras que la alfombra, que está a la misma temperatura, se siente ti-bia. Esto se debe a que la loseta es mejor conductora que la alfombra.
Transmisión de calor : Conducción
Si se sostiene el extremo de una barra de acero sobre una flama, al cabo de unos instantes estará demasiado caliente para sostenerla. El calor se ha transmitido a lo largo del metal por conducción. Puede haber conducción de calor dentro de un mismo material y entre materiales diferentes que están en contacto directo. Los materiales que conducen bien el calor se conocen como conductores térmicos. Los mejores conductores son los metales. Entre los metales comunes la plata es el mejor conductor, seguida del cobre, el aluminio y el hierro.
La conducción se explica en función de las colisiones entre los átomos o moléculas y de los movimientos de electrones unidos débilmente a los átomos. En la barra de hierro la flama hace que los átomos del extremo que se calienta vibren más aprisa. Estos átomos vibran contra los átomos vecinos y éstos hacen lo mismo a su vez. Algo aún más importante es que los electrones libres que pueden desplazarse por el metal se ven forzados agitarse y a transferir energía en virtud de sus colisiones con los átomos y con otros electrones libres dentro de la barra.
Los materiales que se componen de átomos con electrones exteriores ‘‘libres’’ son buenos conductores del calor (y también de la electricidad). Puesto que los metales tienen los electrones exteriores más ‘‘libres’’, son los mejores conductores del calor y de la electricidad.
Toca un objeto metálico y un trozo de madera que estén cerca de ti. ¿Cuál de los dos se siente más frío? ¿Cuál de ellos está realmente más frío?
El calor de la flama hace que los átomos y los electrones libres de un extremo de la barra metálica se mueven más aprisa y se agiten contra otros, los cuales hacen lo mismo a su vez y aumentan la energía de los átomos vecinos, y así, a lo largo de toda la barra.
2
Equilibrio térmico
Bloque I1. Si en un recipiente térmicamente aislado colocamos dos cuerpos "A" y "B" a diferentes temperaturas, la de "A" es mayor que la de "B", se cumple:
I. Existe un flujo calorífico del cuerpo "A" al cuerpo "B". II. El cuerpo "A" pierde calor.
III. Luego de un tiempo los dos alcanzan una misma temperatura, denominada temperatura de equilibrio térmico.
a) F V V b) V F V c) V V F d) V V V e) F V F
2. Un cuerpo "A" se encuentra a una temperatura de 20 °C y se pone en contacto con otro cuerpo "B" a 60 °C estando ambos dentro de un recipiente aislado del medio ambiente. ¿Cuál de los siguientes valores podría ser su temperatura de equilibrio térmico?
I. 10 °C II. 15 °C III. 36 °C IV. 72 °C V. 49 °C
a) I y II b) III y IV c) III y V d) V e) II y V
3. Indicar la proposición verdadera respecto al equilibrio térmico, para dos cuerpos en contacto inicialmente a temperaturas diferentes.
I. El de mayor temperatura gana calor. II. Las temperaturas finales son iguales.
III. Solo existe flujo calorífico cuando las temperaturas son diferentes.
a) Solo II b) Solo III c) I y III d) II y III e) I y II
4. En un recipiente térmicamente aislado se mezclan 200 g de agua a 10 °C con 150 g de agua 38 °C. Calcular la medida de la temperatura de equilibrio térmico.
a) 27 °C b) 22 °C c) 31 °C d) 25 °C e) 18 °C
5. Al mezclar los recipientes mostrados se obtiene una temperatura de 30 °C, hallar "T".
a) 5 °C b) 10 °C c) 12 °C
6. Se coloca un trozo de metal a 80°C (Ce=0,4) dentro de 200 g de agua a 30 °C. Si al final la medida de la temperatura del agua es de 40 °C, halla la masa del metal. a) 100 g b) 75 c) 125
d) 96 e) 172
7. Se mezcla agua en cantidades de 200 g, 100 g y 50 g a las temperaturas de 20 °C, 50 °C y 100 °C respectivamente. ¿Cuál será la medida de la temperatura final de la mezcla al alcanzar el equilibrio térmico?
a) 10 °C b) 20 °C c) 30 °C d) 40 °C e) 50 °C
8. A una olla cuyo Ce=0,5 y masa de 160 g tiene una temperatura de 0 °C. Si se le vierte 16 g de agua a 60 °C, ¿cuál será la medida de la temperatura final en el equilibrio térmico?
a) 10 °C b) 20 °C c) 30 °C d) 40 °C e) 50 °C
9. Un calorímetro cuyo equivalente en agua es de 80 g tiene una temperatura de 0 °C. Si se le vierte 16 g de agua a 60 °C, ¿cuál será la medida de la temperatura final en el equilibrio térmico?
a) 10 °C b) 20 °C c) 30 °C d) 40 °C e) 50 °C
10. En un calorímetro de equivalente en agua de 60 g que contiene 20 g de agua a 15 °C se vierte 70 g de agua a 30 °C. ¿Cuál será la medida de la temperatura final de la mezcla al alcanzar el equilibrio térmico?
a) 20 °C b) 21 °C c) 22 °C d) 23 °C e) 30 °C
Bloque II
1. Indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda: I. La energía total de un sistema cerrado y aislado es
constante.
II. En un sistema cerrado la energía perdida por una parte es ganada por la otra.
III. El calor fluye hasta que todas las partes del sistema están a la misma temperatura.
a) F V V b) V F V c) V V F d) V V V e) F V F
2. Indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda: I. Un calorímetro ideal proporciona un sistema
aislado y cerrado.
II. Si tenemos dos cuerpos a diferente temperatura existiría un flujo calorífico del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura.
III. Cuando un cuerpo recibe calor puede aumentar su energía interna.
a) V V F b) V V V c) V F V
Física
3. Un recipiente contiene 400 g de agua a 20 °C. Si sevierten 200 g de agua a 80 °C, ¿cuál es la medida de la temperatura de equilibrio?
a) 30 °C b) 32 °C c) 36 °C d) 40 °C e) 42 °C
4. Un calorímetro de 50 g de masa y calor específico 0,18 cal/(g.°C) se encuentra a 20 °C. Si se colocan 200 g de agua a 60 °C, ¿cuál es la medida de la temperatura de equilibrio térmico?
a) 46,8 °C b) 48,2 °C c) 52,3 °C d) 58,3 °C e) 56,4 °C
5. Una broca de fierro que tiene una masa de 0,2 kg es calentada hasta 450 °C, luego se sumerge en un recipiente con agua a 20 °C. ¿Qué masa de agua debe haber en el recipiente ideal para que la temperatura final no supere los 80 °C (CeFe = 0,112 cal/(g.°C))?
a) 0,112 kg b) 0,138 c) 0,241 d) 0,316 e) 0,276
6. Los calores específicos en cal/(g.°C) de ciertas sustancias son: aluminio: 0,22; hierro: 0,11; cobre: 0,093; plomo: 0,031 y bronce: 0,080. Si en un recipiente de uno de estos metales de 300 g y a 98 °C, se vierte 15 g de agua a 12,2 °C, se observa que la temperatura final del agua y el recipiente es 68 °C. ¿De qué metal está hecho el recipiente?
a) Aluminio b) Hierro c) Cobre d) Bronce e) Plomo
7. En un calorímetro de capacidad calorífica despreciable se vierten 20 g; 30 g; 40 g y 50 g de agua a 20 °C; 30 °C; 40 °C y 50 °C respectivamente. Luego de alcanzar el equilibrio térmico, ¿cuántas calorías absorbió la masa de 20 g?
a) 324 cal b) 371 c) 396 d) 418 e) 423
8. En un calorímetro de equivalente en agua 10 g se tiene 1 litro de agua a 10 °C. Se introduce una esfera de metal de 1 kg a 115 °C. Si la temperatura final de equilibrio es de 60 °C, calcular el calor específico del metal en cal/(g.°C).
a) 0,918 b) 0,924 c) 0,825 d) 0,812 e) 0,975
9. Una olla de cobre de 500 g contiene 150 g de agua a 20 ºC. Un bloque de hierro de 250 g a 90 °C se introduce en la olla. Calcule la temperatura final, suponiendo que no se intercambia calor con el medio ambiente.
(CeCu =0,093 cal/g.°C) (CeFe =0,112 cal/g.°C) a) 23,2 °C b) 26,8 °C c) 28,7 °C d) 31,3 °C e) 34,5 °C
10. Una jarra aislada de vidrio de capacidad calorífica despreciable contiene 4 litros de agua a 25 °C. Un motor eléctrico suministra 150 W a un agitador de agua durante 20 min. Si suponemos que no hay pérdidas de calor al medio ambiente, el incremento de la temperatura (en °C) del agua es:
a) 30,7 b) 45 c) 35,8 d) 10,8 e) 15,7
Bloque III
1. Un trozo de platino a 120 °C se sumerge en mercurio a 15 °C, obteniéndose una temperatura de equilibrio de 40 °C. El mismo trozo de platino a una temperatura ‘‘T’’ se sumerge en la misma cantidad de mercurio pero a 20 °C, obteniéndose una temperatura de equilibrio de 50 °C. ¿Cuál es el valor de "T"?
a) 130 °C b) 96 °C c) 176 °C d) 146 °C e) 106 °C
2. Dos esferas metálicas del mismo material y radios "R" y "2R" se encuentran a las temperaturas de 10 °C y 100 °C respectivamente. Calcular la temperatura de equilibrio, si se les pone en contacto en un sistema aislado térmicamente.
a) 20 °C b) 40 °C c) 60 °C d) 90 °C e) 100 °C
3. Un bloque de 5 kg y calor específico 0,2 cal/g.°C es soltado en un plano inclinado liso que forma 53° con la horizontal y luego de recorrer 21 m ingresó a una superficie horizontal rugosa hasta que se detiene. Calcular la variación de temperatura que experimenta el bloque metálico. Despreciar las perdidas de energía al medio ambiente. (g= 10 m/s2)
a) 2 °C b) 4 °C c) 0,20 °C d) 10 °C e) 20 °C
4. Para hallar la temperatura de un horno industrial se emplea una esfera de platino de 1kg, al extraerla del horno se echa en 2 litros de agua a 15 °C y se observa una temperatura de equilibrio de 17 °C. Siendo el calor específico del platino 0,032 cal/g.°C, hallar la temperatura aproximada del horno.
a) 130 °C b) 96 °C c) 176 °C d) 146 °C e) 142 °C
PROBLEMA DESAFÍO
5. Se vierte 150 g de agua caliente a 85 °C dentro de un vaso con tapa de vidrio de 210 g (incluyendo la tapa) a 22 °C. Hallar el calor específico del vidrio en J/(kg.K) si la temperatura de equilibrio térmico es 70 °C. Considere que no sale calor al medio ambiente.
2
Equilibrio térmico
1. Indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda: I. El calor espontáneamente fluye del cuerpo de
mayor al de menor temperatura.
II. Cuando dos cuerpos están a igual temperatura no hay flujo de calor.
III. En el equilibrio térmico las temperaturas de los cuerpos son iguales.
2. Si dos cuerpos "A" y "B" están a temperaturas "TA" y "TB" respectivamente y aislados del medio ambiente (TA>TB). Se cumple:
I. El cuerpo "A" tiene más calor que el cuerpo "B". II. Al ponerlos en contacto, si el cuerpo "A" pierde
calor el cuerpo "B" gana calor.
III. El calor ganado por uno de ellos es igual al calor perdido por el otro.
3. Dos cuerpos "A" y "B" se encuentran a 10ºC y 80ºC respectivamente y se hace una mezcla. ¿Cuál de los siguientes valores podría ser la temperatura de equilibrio?
I. 90ºC II. 55ºC III. 28ºC IV. 72ºC 4. (Para investigar) El calor tiene tres formas de
propa-gación, estas son:
5. ¿Cuál es la forma de transmisión de calor que puede suceder a través del vacío?
6. El esquema muestra dos cuerpos a temperaturas diferentes; puestos en contacto térmico y aislados del medio ambiente.
TA > TB (temperatura) Se cumple:
I. El cuerpo "B" tiene menos calor que el cuerpo "A". II. Cuando se establece el equilibrio térmico, ya no
hay flujo de calor.
III. El cuerpo "A" inicialmente tiene más calor que el cuerpo "B".
7. Calcular la temperatura (en ºC) de equilibrio de la mezcla de 200 g de agua a 30 ºC con 100 g de agua a 75 ºC. No existe perdidas con el medio ambiente.
8. En un recipiente de capacidad calorífica despreciable se vierte 120 g de aceite a 18 ºC y 150 g del mismo aceite a 90 ºC. ¿Cuál es la temperatura (en ºC) cuando se establece el equilibrio térmico?
9. En un recipiente ideal se tiene 400 g de agua a 10 ºC y se vierten 200 g de agua a la temperatura "T2". Si la temperatura de equilibrio fue 31 °C, hallar "T2". 10. Se tiene 800 g de agua a 20 ºC en un recipiente ideal y
se colocó dentro del recipiente un bloque de metal de 100 g a 180 ºC. Si la temperatura de equilibrio fue 24 ºC, ¿cuál es el calor específico del metal en cal/g.ºC? 11. En un calorímetro ideal se tiene 150 g de agua a 20 °C.
Se introduce un bloque de plata de 300 g a 120 °C. ¿Cuál es la temperatura (en ºC) de equilibrio?
(CeAg = 0,056 cal/g.°C)
12. Del problema anterior, ¿cuántas calorias ganó el agua? 13. Del problema 11, ¿cuántas calorías perdió el bloque
de plata?
14. En un recipiente ideal, se mezcla 200 g de agua a 20ºC, con 100 g de cierta sustancia que está a 80ºC y cuyo calor específico es 0,5 cal/gºC. Calcule la temperatura (en ºC) de equilibrio de la mezcla.
15. En cierto experimento, se juntan 50 g a 90ºC de una sustancia "A" cuyo: CeA = 0,3 con 300 g a 60ºC de otra sustancia "B" cuyo: CeB = 0,1. ¿Cuál será la temperatura (en ºC) final de las dos sustancias?
16. En un recipiente ideal se tiene 90 g de agua a 18,5ºC y gradualmente se va colocando cubos de bronce de 10 g a 40,5ºC. Calcular la temperatura de equilibrio (en ºC), luego de haber colocado 10 cubos (Cebronce = 0,09) 17. Indicar la relación de las masas (m1/m2) de dos
cantidades de agua que están a 54ºC y 4ºC; para que la temperatura de equilibrio sea 24ºC.
18. Indicar la verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones:
I. Dos cuerpos en contacto, siempre se transfieren calor. II. Cuando un cuerpo tiene mayor masa, tiene más calor. III. El calor se propaga por la diferencia de
tem-peraturas.
19. Para determinar el calor específico de cierta sustancia "x", se coloca 100 g de agua a 20ºC en un recipiente ideal con 200 g de la sustancia "x" a 80ºC. Si la temperatura de equilibrio es 50ºC, calcule el calor específico "x" en cal/g.ºC.
20. Del problema anterior, si hubiésemos colocado 100 g de la sustancia "x", ¿cuál sería la temperatura de equilibrio en ºC?
COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO
La materia que nos rodea existe en tres FASES comunes: sólida, líquida y gaseosa. La materia puede cambiar de una fase a otra. Todos sabemos que el hielo es la fase sólida del agua. Si suministramos energía calorífica la rígida estructura molecular se rompe y el hielo pasa a la fase líquida: el agua. Si continuamos añadiendo energía calorífica, el líquido cambia a fase gaseosa cuando el agua hierve y se transforma en vapor.
CAMBIO DE FASE
Es un fenómeno físico que consiste en el rompimiento o formación de los enlaces moleculares que experimenta una sustancia como consecuencia de la ganancia o pérdida de calor. Para una presión dada, los cambios de fase se dan a una temperatura definida, generalmente acompañada por absorción o emisión de calor y un cambio de volumen y densidad.
Consideraciones para un cambio de fase:
1. Para que un cuerpo cambie de fase primero debe alcanzar la temperatura de cambio de fase. Por ejemplo, si tenemos agua a 20ºC y queremos vaporizarla, debe alcanzar la temperatura de ebullición, es decir, 100ºC. 2. Para que ocurra un cambio de fase se debe seguir suministrando calor y la temperatura permanecerá constante
mientras dure todo el proceso.
3. El calor suministrado durante el cambio de fase se emplea para dar al cuerpo el nuevo ordenamiento molecular y adquiera las nuevas propiedades de la otra fase.
4. Si se sigue suministrando calor luego del cambio de fase, la temperatura del cuerpo en la nueva fase comenzará a elevarse.
C
ambio
de
fase
Introducción
3
Cambio de fase
CALOR LATENTE (L)
Es la cantidad de calor que se debe suministrar o extraer a una unidad de masa para que cambie de fase manteniendo su temperatura constante.
Por ejemplo, el calor latente de fusión del agua es 80 cal/g. Esto significa que si tenemos un gramo de hielo a 0 ºC y le suministramos 80 cal se fusionará totalmente. Si tuviéramos 3 gramos de hielo también a 0 ºC se necesitará: 3 x 80 = 240
calorías para fusionarlo totalmente.
Calor latente de fusión - solidificación para el agua (Lf)
Lf = 80 cal/g
Lf = 3,34 x 105 J/kg
Calor latente de vaporización - condensación del agua (Lv)
Lv = 540 cal/g
Lv = 2,256 x 106 J/kg
CAMBIOS DE FASE PARA EL AGUA
Se absorve energía cuando el cambio de fase es en este sentido
FUSIÓN vAPORIZACIÓN
SOLIDIFICACIÓN CONDENSACIÓN
SÓLIDO LÍQUIDO
Se libera energía cuando el cambio de fase es en este sentido
vAPOR
CALOR DE TRANSFORMACIÓN
Es la cantidad de calor que se proporciona a una masa para lograr que cambie de fase. Está expresado por: Q = m . L ... 1
Donde: m = Masa del cuerpo que cambia de fase L = Calor latente
Física
Física
TABLAPUNTOS DE FUSIÓN Y EBULLICIÓN DE SUSTANCIAS COMUNES
Hidrógeno Oxígeno Mercurio Agua Azufre Plomo Plata Oro Cobre -259 -218 -39 0 119 327 960 1063 1083 14 3,4 2,8 80 9,1 5,7 21,2 15,5 32,1 -252 -183 357 100 444 1750 2193 2660 1187 108 51 65 540 78 29 560 378 1216
SUSTANCIA PUNTO FUSIÓN ºC
CALOR LATENTE DE
FUSIÓN (Lf) cal/g PUNTO EBULLICIÓNºC
CALOR LATENTE DE vAPORIZACIÓN (Lv) cal/g
Observación
Durante los cambios de fase la temperatura se mantiene constante. Cambio de fase para el agua
SÓLIDO LÍQUIDO GASEOSO
P = 1 ATM
0ºC 100ºC
Q = m.L Q = m.L
3
Cambio de fase
Problema 1Si a un trozo de hielo a 0ºC se le suministra 360 calorías, ¿qué cantidad de hielo se derrite? Resolución
Como el hielo se encuentra a 0ºC (punto de fusión) por cada 80 calorías que reciba se fusionará un gramo de hielo. Aplicamos la fórmula de calor de transformación, donde: Q= 360 calorías y L = 80 cal/g. Q = m . L 360cal = m . 80 g cal m = 4,5 g
Es la cantidad de hielo derretido, a 0ºC
Problema 2
¿Cuántas calorías se necesita para convertir 20 g de hielo que está a -10 ºC y llevarlo hasta 40 ºC? (CeHIELO = 0,5 cal/ g. ºC)
Resolución
Observe que de los tres calores se necesita una mayor cantidad para el cambio de fase (Q2).
Con los datos obtenidos podremos construir una gráfica de temperatura en función del calor suministrado.
Entre los puntos "A" y "B" el hielo se calienta hasta 0°C, por la acción de "Q1".
Entre los puntos "B" y "C" el hielo cambia de fase y se encuentra hielo y agua a la vez. La temperatura se mantiene constante mientras dure todo el proceso de cambio de fase.
Entre los puntos "C" y "D" la temperatura del hielo, ahora convertido en agua, aumenta a medida que se sigue suministrando calor.
Problemas resueltos
50 40 30 20 10 -10 A 100 1700 2500 Agua FUSIÓN Hielo Q(cal) Q3=800 cal Q2=1600 cal Q1=100 cal 0Física
El hielo que está a -10 °C primero se debe llevar a 0 °C, la temperatura de fusión, para esto aplicamos la fórmula de calor sensible, ver capítulo anterior.Q1 = mH CeH .∆T
Q1 = 20 g.( 0,5 - g .ºCcal ) . ( 0-(-10°C))
Q1 = 100 cal ... 1
Con estas 100 calorías el hielo ya se encuentra a 0 °C, ahora el calor que se suministre servirá para el cambio de fase.
Q2 = mHL Q2 = 20 g . 80 g cal Q2 = 1600 cal
Observe que la masa es la misma. Con este calor todo el hielo se ha derretido y está a 0 °C. Para llevarlo hasta 40 °C necesitamos calcular el calor sensible, aplicaremos nuevamente la expresión:
Q3 = mH CeH20 .∆T Q3 = 20g . C .º gcal 1 . (40ºC -0ºC) Q3 = 800 cal
La respuesta es la suma de todos los calores: Q1 + Q2 + Q3 = 2,500 cal. Problema 3
¿Qué cantidad de calor se necesita para llevar a 10 g de hielo desde -10 °C hasta vapor a 250 °C? Ce hielo = Ce vapor de agua = 0,5 cal/g.°C Resolución QT = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 10(0,5)10 + 10(80) + 10(1)100 + 10(540) + 10(0,5)150 = 8000 cal Q2 Q4 Q1 Q3 Q5 - 10ºC 0ºC 100ºC 250ºC Q2 Q4 Q1 Q3 Q5 - 10ºC 0ºC 100ºC 250ºC Q1 Q2 Q3 Q4 Q5
3
Cambio de fase
El hielo se funde normalmente a 0ºC, pero la aplicación de presión reduce el punto de fusión.
A una presión igual al doble de la atmosférica normal, el punto de fusión baja a -0,07ºC. Es necesario aplicar una presión bastante mayor para conseguir un efecto observable.
Cuando se retira la presión el agua se congela de nuevo. Este fenómeno de fusión por presión y congelación al reducirse la presión se llama recongelación, y es una de las propiedades del agua que la distinguen de otras sustancias.
Puedes ver el proceso de recongelación en acción si cuelgas un alambre delgado con dos pesas sobre un cubo de hielo, como se muestra en la figura. El alambre atraviesa el hielo cortándolo poco a poco, pero vuelve a formarse hielo tras de él. ¡Podrás ver como el alambre y las pesas caen al suelo. Mientras que el hielo queda de una sola pieza!
Para hacer una bola de nieve empleas el proceso de recongelación. Cuando comprimes la nieve con las manos
causas una ligera fusión, la cual ayuda a mantener unida la bola. Es difícil hacer bolas de nieve cuando hace mucho frío, porque la presión que podemos aplicar no basta para fundir la nieve. Cuando una persona patina sobre hielo se desliza sobre una delgada película de agua que se forma entre la hoja del patín y el hielo debido a la presión y la fricción que ejerce la hoja metálica. El agua se recongela tan pronto como se reduce la presión.
R
ECONGELACIÓN
LECTURA
Bloque I
1. Indicar verdadero (V) o falso (F) respecto al cambio de fase: I. Para que ocurra un cambio de fase debe alcanzarse
la temperatura de cambio de fase.
II. Cuando ocurre un cambio de fase la temperatura se mantiene constante.
III. La temperatura del cuerpo aumenta durante un cambio de fase.
a) V V F b) V F V c) F V V d) F V F e) F F F
2. Completar adecuadamente:
Cuando ocurre un cambio de fase la _________ del cuerpo permanece constante y ocurre un reordenamiento ______________ ganando nuevas __________.
a) temperatura - superficial - propiedades b) energía - superficie - propiedades
c) temperatura - molecular - energía d) temperatura - molecular - propiedades e) energía - molecular - temperaturas
3. Para el agua, completar:
El cambio de sólido a líquido se llama _________ y de vapor a líquido se llama __________.
a) licuación - condensación b) fusión - condensación c) solidificación - licuación
d) fusión - vaporización e) solidificación - fusión 4. Completar, para el agua:
El paso de líquido a vapor de agua se denomina _______ y de líquido a sólido ___________. a) fusión - solidificación b) vaporización - solidificación c) vaporización - sublimación d) condensación - fusión e) vaporización - fusión
5. ¿Cuántas calorías se debe entregar a 25 g de hielo que se encuentra a 0 °C para que se fusione totalmente?
a) 2 kcal b) 6 c) 8
d) 12 e) 18
6. ¿Cuántas calorías se debe suministrar a 200 g de agua a 100 °C para vaporizarla totalmente?
a) 180 kcal b) 72 c) 96
Física
7. Si colocamos 250 g de agua a 0 °C en un refrigerador,¿cuántas calorías se deben extraer para solidificarlo totalmente a 0 °C?
a) 30 kcal b) 25 c) 20
d) 40 e) 10
8. ¿Cuántas calorías necesitan 200 g de hielo a 0 ºC para convertirse en agua a 30 °C?
a) 22 kcal b) 26 c) 28
d) 30 e) 16
9. Si queremos vaporizar totalmente 400 g de agua que se encuentran a 60 °C, ¿cuántas calorías se necesitará? a) 16 kcal b) 208 c) 216
d) 232 e) 432
10. ¿Cuántas calorías se debe extraer a 150 g de agua que se encuentra a 20 ºC para solidificarlo totalmente a 0 ºC? a) 18 kcal b) 15 c) 10
d) 8 e) 6
Bloque II
1. ¿Cuántas calorías se necesitan para fusionar totalmente 60 g de hielo que se encuentra a 0 ºC?
a) 4,2 kcal b) 4,8 c) 7,2 d) 6,4 e) 3,0
2. ¿Cuántas calorías se debe entregar a 50 g de hielo a 0 °C para obtener agua a 60 °C?
a) 7 kcal b) 8 c) 9
d) 10 e) 12
3. Una sustancia tiene como calor latente de fusión 150 cal/g y temperatura de fusión 70 °C y calor específico 2 cal/g.°C. Si tenemos 400 g de esta sustancia a 10 °C en fase sólida, ¿cuántas calorías se necesitará para fusionarla totalmente?
a) 96 kcal b) 80 c) 64
d) 112 e) 108
4. Un bloque de hielo de 800 g se encuentra a 0 ºC. Si se le suministra 24 kcal, ¿cuántos gramos de hielo quedan sin fusionarse?
a) 500 g b) 400 c) 600
d) 200 e) 100
5. Si una masa de agua ‘‘m’’ se encuentra a 20 °C y se necesita de 155 kcal para vaporizarla totalmente, hallar ‘‘m’’.
a) 150 g b) 180 c) 200
d) 250 e) 300
6. Si se mezcla hielo y agua se observa que el hielo no se derrite totalmente, la temperatura de la mezcla es: a) Algo menor a 0 °C
b) Algo mayor a 0 °C c) 0 °C
d) -5 °C
e) Faltan las masas
7. Una cocina proporciona 62 kcal/min. Si colocamos medio litro de agua a 20 °C, ¿después de qué tiempo toda el agua se vaporizará? Suponer que todo el calor producido por la cocina lo gana directamente el agua. a) 2 min b) 3 c) 4
d) 5 e) 8
8. Para fusionar un cubito de hielo a 0 °C se necesita 1200 cal. ¿Cuántas calorías se necesitará para fusionar 8 cubitos de hielo, todos idénticos, que se encuentren a -20 °C? a) 10,8 kcal b) 9,6 c) 8,3
d) 12,4 e) 13,6
9. En un recipiente se mezclan 200 g de hielo a -10 ºC con 400 g de agua a 50 °C. La temperatura final de la mezcla es:
a) 4 ºC b) 5 ºC c) 6 ºC d) 8 ºC e) 7 ºC
10. En un calorímetro ideal que contiene un kilogramo de hielo a 0 ºC se vierte dos litros de agua a 79 °C, la temperatura final de la mezcla será:
a) 24 °C b) 26 °C c) 28 °C d) 30 °C e) 32 °C
Bloque III
1. Un trozo de plomo de 100 g calentado hasta 200 °C se deposita en una cavidad de un gran bloque de hielo a 0 °C, ¿qué cantidad de hielo se fundirá? (Calor específico del plomo = 0,032 cal/g. °C)
a) 10 g b) 8 c) 6
d) 16 e) 20
2. El punto de fusión de un metal es 1200 °C y su calor latente de fusión es 180 cal/g. Si se calienta 150 g de dicho metal, en fase sólida, hasta que llegue totalmente a los 1200 °C, ¿qué cantidad adicional de calor se necesita para fundirlo completamente?
a) 20 kcal b) 18 c) 27
3
Cambio de fase
Observa el pico de una tetera que contiene agua hirviente. Advierte que no puedes ver el vapor que sale por el pico. La nube que ves un poco más lejos del pico no es vapor, sino gotitas de agua condensada. El vapor es invisible. Coloca ahora una vela encendida en la nube de vapor condensado. ¿Podrías explicar tus observaciones?
EL vAPOR NO SE vE
3. Un calentador eléctrico de 350 W se emplea para hervir medio litro de agua. Si la temperatura inicial es de 20°C, ¿qué tiempo ha transcurrido hasta que toda el agua pueda vaporizar?
a) 1,025 h b) 1,315 c) 1,45 d) 1,82 e) 1,93
4. En un recipiente de cobre, calentado hasta una temperatura: T1 = 350 ºC, se han colocado 600 g de hielo a una temperatura de -10 ºC. Si se observa que al final quedó 550 g de hielo mezclado con agua, ¿cuál es la masa del recipiente? (CeCu = 0,093)
a) 150 g b) 100 c) 215 d) 30 e) 180
PROBLEMA DESAFÍO
5. Un recipiente de cobre tiene una capacidad calorífica de 30 cal/ºC contiene 50 g de hielo. El sistema inicialmente se encuentra a 0 ºC y se hace circular dentro del recipiente 12 g de vapor a 100 ºC y una atmósfera de presión. ¿Cuál es la temperatura final (en ºC) del sistema?
Física
Física
1. Indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda: I. Un cambio de fase consiste en el reordenamiento
molecular como consecuencia de la ganancia o pérdida de calor.
II. La temperatura de cambio de fase depende de la presión atmosférica.
III. Cuando ocurre un cambio de fase la temperatura permanece constante durante todo el proceso. 2. Indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda:
I. El cambio de fase de líquido a sólido se denomina fusión.
II. Cuando el vapor se convierte en líquido libera energía.
III. El calor latente de vaporización del agua es 540 cal/g.
3. Con respecto al cambio de fase de una sustancia; indicar la veracidad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones:
I. Se produce variación de temperatura.
II. El calor latente depende de la naturaleza de la sustancia.
III. El cuerpo primero debe alcanzar la temperatura de cambio de fase.
4. ¿Cuántas calorías se necesita entregar a 60 g de hielo para derretirlo totalmente a 0 ºC?
5. ¿Qué cantidad de calor (en cal) se requiere para convertir 150 g de hielo a 0 ºC en agua?
6. ¿Cuántos gramos de hielo a 0ºC se pueden derretir con 3200 calorías?
7. ¿Qué cantidad de hielo (en kg) a 0ºC se pueden derretir con 5600 cal?
8. ¿Cuántas calorías se necesitará entregar a 120 g de hielo a -10° C, para que se derrita totalmente?
9. ¿Cuántas kcal necesitan 400 g de hielo a 0 ºC para convertirlo en agua a 45 ºC?
10. ¿Qué cantidad de calor (en cal) se debe suministrar a 60 g de hielo a -30 ºC para convertirlo en agua a 40 ºC? 11. Indicar la verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes
proposiciones:
I. Durante el cambio de fase de una sustancia se produce cambio de temperatura.
II. El calor absorvido por una sustancia siempre está acompañada de un cambio de temperatura.
III. Si disminuimos la presión, el agua podría vaporizarse a 0 ºC.
12. Si tenemos 200 g de agua a 0 ºC, ¿qué cantidad de calor (en cal) debemos extraerle para convertirla en hielo a -10 ºC?
13. Se tiene un gran bloque de hielo a 0 ºC. ¿Cuántos gramos de agua se formarán si le suministramos 2400 cal?
14. ¿Qué cantidad de calor (en cal) se debe suministrar a 400 g de agua a 20 ºC para que se convierta en vapor totalmente?
15. ¿Cuántos kcal necesita 100 g de hielo a -10 ºC para convertirlo en agua a 60 ºC?
16. ¿Cuántos kcal se debe extraer a 250 g de agua a 40 ºC y convertirla en hielo a -20 ºC?
17. Calcular la temperatura final (en ºC) que alcanza un trozo de hielo de 40 g de masa y -10 °C de temperatura, si se le suministra 5600 cal.
18. Si se mezcla hielo y agua a 5 ºC se observa que el hielo no se derrite totalmente, entonces la temperatura de la mezcla en ºC es:
19. Un bloque de hielo a -20 ºC necesitó 36,5 kcal para convertirlo en vapor totalmente; hallar la masa del bloque (en kg).
20. Un bloque de fierro de 400 g se saca de un horno a 150 ºC y se coloca sobre un gran bloque de hielo a 0 ºC. ¿Qué cantidad de hielo (en g) logra fundirse?
(CeFe = 0,112 cal/g.ºC)
COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO
COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO
r
epaso
mensual
ASPECTOS CONCEPTUALES
1. Indique verdadero (V) o falso (F) según corresponda: I. El calor es una forma de energía.
II. La temperatura mide el grado de agitación molecular
III. La unidad de medición de la temperatura según el S.I. es el kelvin (K).
IV. La unidad de medición del calor es el joule según el S.I.
2. Indicar las afirmaciones correctas para dos cuerpos puestos en contacto térmico estando a diferentes temperaturas.
TA=10 ºC TB=30 ºC
A B
I. El cuerpo "B" tiene más calor que el cuerpo "A". II. La temperatura de "A" es menor que el del cuerpo
"B".
III. El calor en este caso se transmite del cuerpo "B" al "A".
IV. La temperatura de equilibrio podría ser 9ºC. 3. Responder verdadero (V) o falso (F).
I. El calor latente es energía.
II. La temperatura del cuerpo durante un proceso de cambio de fase en la temperatura crítica no cambia.
III. El calor latente de fusión para el agua es 540 cal/g. IV. El calor latente de vaporización para el agua es
80 cal/g.
ASPECTOS APLICATIvOS Y PROCEDIMENTALES 4. Calcular la cantidad de calor (en cal) necesaria para
elevar la medida de la temperatura de un anillo de plata de 100 g en 100 ºC.
5. Un cuerpo cuyo calor específico mide 0,3 cal/g.ºC recibe 1200 cal cuando se encontraba a 20ºC. ¿Cuál es la medida de la temperatura final (en ºC), si el cuerpo es de 100g?
6. Un lingote de cierto metal de 800 g eleva su tem-peratura de 20ºC a 40ºC, luego de recibir 500 cal. Calcular la medida de su calor específico en cal/g. ºC.
7. En un recipiente de capacidad calorífica insig-nificante, se vierten 300 g de agua a 20ºC y 100 g de agua a 80ºC. Calcular la medida de la temperatura de equilibrio (en ºC).
8. Se calienta un lingote de cierto material de 200 g hasta 570 ºC. A continuación se coloca 400 g de agua a 10 ºC, dentro de un calorímetro de aluminio (Ce = 0,21 cal/gºC) de 500 g. Si el lingote es colocado dentro de dicho recipiente y la medida de la temperatura de equilibrio es 60ºC, calcular la medida del calor específico (en cal/g. ºC) del lingote.
9. Calcular la medida de la cantidad de calor (en cal) necesaria para derretir completamente 200 g de hielo a -10ºC.
10. Calcular la medida de la cantidad de calor (en cal) necesaria para vaporizar completamente 100 g de agua a 80ºC.
