fisica control semana 5

Calor Emol Soto Alfaro Física Instituto IACC 08 de octubre de 2017

Desarrollo

Resuelva los siguientes ejercicios, considerando los cálculos completos.  Ejercicio 1: Determine la cantidad de calorías necesarias para elevar 5,5 litros de agua desde 22°[C] hasta 84°[C]. Respuesta: 5,5 litros de agua = 5500 gramos, se necesitan 5500 calorías, por lo tanto 𝑄 = 5500 ∗ (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ) 𝑄 = 5500 ∗ (84°[𝐶] − 22°[𝐶]) 𝑄 = 5500 ∗ 62 𝑄 = 341000 𝑐𝑎𝑙. Se necesitan 341000 calorías para elevar la temperatura.  Ejercicio 2: Una barra de Hierro de m = 2,8 [Kg] aumenta su temperatura dentro del horno desde los T=33°[C] hasta los T=438°[C]. Determine la cantidad de calor transferido al hierro. Respuesta: Para realizar este ejercicio necesitaremos la formula del calor especifico, la cual es: 𝑄 = 𝑐 ∗ 𝑚 ∗ ∆𝑇 Donde Q es el calor transferido, c es el calor especifico del hierro, m es la masa del hierro y ∆𝑇(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ) es la diferencia de las temperaturas final e inicial, entonces tendremos lo siguiente: 𝑄 = 𝑐 ∗ 𝑚 ∗ ∆𝑇(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ) 𝑄 = 460 [

𝐽 ] ∗ 2,8[𝐾𝑔] ∗ (438°[𝐶] − 33°[𝐶]) 𝐾𝑔 ∗ °𝐶 𝑄 = 460[𝐽] ∗ 2,8 ∗ 405 𝑄 = 521460[𝐽]

La cantidad de calor transferida es de: 𝑄 = 521460[𝐽]

 Ejercicio 3: Una técnica muy antigua para aumentar la dureza de los metales era templarlos. Esta técnica consiste en calentar los metales a una temperatura muy elevada y bruscamente enfriarlos, sumergiéndolos en agua fría. Consideremos una espada de hierro de m=1,2[Kg] puesta al fuego hasta alcanzar una temperatura T=620°[C], que luego se sumerge rápidamente a una tinaja con 8 litros de agua (m=8,0[Kg])y que se encuentra a una temperatura de 9°[C]. Después de unos segundos, el agua y el hierro alcanzan la misma temperatura. Determine el valor de esta temperatura. Respuesta: Para este ejercicio también usaremos la formula del calor especifico, con la diferencia, de que tendremos que realizar dos cálculos, para luego igualarlos y poder obtener el valor de temperatura el cual será un equilibrio. 𝑄 = 𝑐 ∗ 𝑚 ∗ ∆𝑇(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ) −𝑄ℎ𝑖𝑒𝑟𝑟𝑜 = −𝑐ℎ𝑖𝑒𝑟𝑟𝑜 ∗ 𝑚ℎ𝑖𝑒𝑟𝑟𝑜 ∗ ∆𝑇(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ) −𝑄ℎ𝑖𝑒𝑟𝑟𝑜 = −460 [

ℎ𝑖𝑒𝑟𝑟𝑜

𝐽 ] ∗ 1,2[𝐾𝑔] ∗ (𝑇𝑓 − 620°[𝐶]) 𝐾𝑔 ∗ °𝐶

−𝑄ℎ𝑖𝑒𝑟𝑟𝑜 = −552 [

𝐽 ] ∗ (𝑇𝑓 − 620°[𝐶]) °𝐶

𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑐𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ ∆𝑇(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ) 𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎 = 4190 [

𝑎𝑔𝑢𝑎

𝐽 ] ∗ 8[𝐾𝑔] ∗ (𝑇𝑓 − 9°[𝐶]) 𝐾𝑔 ∗ °𝐶

𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎 = 33520 [

𝐽 ] ∗ (𝑇𝑓 − 9°[𝐶]) °𝐶

Ahora se igualaran las ecuaciones para encontrar la temperatura final la cual estará en equilibrio. 𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎 = −𝑄ℎ𝑖𝑒𝑟𝑟𝑜 33520 [

𝐽 𝐽 ] ∗ (𝑇𝑓 − 9°[𝐶]) = −552 [ ] ∗ (𝑇𝑓 − 620°[𝐶]) °𝐶 °𝐶

33520 ∗ (𝑇𝑓 − 9°[𝐶]) = −552 ∗ (𝑇𝑓 − 620°[𝐶])

33520 ∗ (𝑇𝑓 − 9°[𝐶]) = −(𝑇𝑓 − 620°[𝐶]) 552 60,72 ∗ (𝑇𝑓 − 9°[𝐶]) = −𝑇𝑓 + 620°[𝐶] 60,72 ∗ 𝑇𝑓 − 546,48°[𝐶] = −𝑇𝑓 + 620°[𝐶] 60,72 ∗ 𝑇𝑓 + 𝑇𝑓 = 546,48°[𝐶] + 620°[𝐶] 𝑇𝑓 ∗ (60,72 + 1) = 1166,48°[𝐶] 𝑇𝑓 ∗ (61,72) = 1166,48°[𝐶] 𝑇𝑓 =

1166,48°[𝐶] 61,72

𝑇𝑓 = 18,9°[𝐶] Entonces tendremos que la temperatura final y en equilibrio, tanto de la espada de hierro como la de la tinaja de agua, será de: 18,9°[𝐶]

 Ejercicio 4: Cite un ejemplo, a nivel industrial, donde se encuentre relacionado el calor y la temperatura y los mecanismos de transmisión de calor, es decir, la conducción, convección y radiación. Recuerde que debe ser explicado con los términos físicos adecuados. Respuesta:

En Chile a nivel industrial un ejemplo de los más comunes seria la fundición del cobre, donde existe la relación del calor con la temperatura, y también se ven comprometidos los distintos tipos de transferencias de calor, el cual sería la conducción, convección y radiación. Se comienza con la extracción del cobre en forma sólida, la cual son llevados a hornos gigantescos los cuales trabajan a elevadas temperaturas, y esto hace que el cobre cambie de estado químico, pasando de solido a estado líquido, acá estaría ejecutándose el mecanismo de transmisión de calor llamado conducción ya que es de forma directa, luego son traspasados a unos baldes llamados crisol donde se mantienen con fuego por debajo para no perder el estado líquido, en esta etapa estaría efectuándose el mecanismos de convección, y luego son llevados a moldes donde un operario maniobra el crisol hacia el molde necesario. Y termina con la derivación del cobre liquido en los moldes de forma manual, para convertirse en placas, lingotes, etc. en este paso existe el mecanismo de transferencia de calor denominado radiación del cobre liquido en los moldes hacia el operario. Para luego dejar enfriar y quedar de forma sólida.

Bibliografía Contenido de la semana 5