Fisica

 

Curso 

 de   Física

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S E M A N A 9 CICLO REGULAR 2021-II C U R S O D E F Í S I C A

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SEMANA 9 CALORIEMTRIA DILATACION TERMICA: Cambio en dimensiones de un cuerpo debido a un cambio en su temperatura. Por lo general se observa ob serva que al aumentar la temperatura de un cuerpo aumentan sus dimensiones. Para un sólido, dependiendo del número de dimensiones  principales, se distinguen los siguientes tipos de dilatación:

Tipos de Dilatación 

DILATACIÓN VOLUMÉTRICA El volumen de un cuerpo aumenta cuando éste se calienta. Este aumento de volumen recibe el nombre de dilatación volumétrica o cúbica.

Vf : volumen final Vo : volumen inicial  ∆T = Tf –  Tf –  To  To : variación de temperatura  : Coeficiente de dilatación volumétrica vo lumétrica

(°C-1)

Dilatación Lineal Dilatación Superficial Dilatación Volumétrica

ß = 2α;  = 3α  3α 

DILATACION LINEAL:

Es un parámetro macroscópico que nos indica el grado de agitación molecular que hay en el interior de una sustancia, la temperatura de un cuerpo está relacionada con la energía cinética de las moléculas. Unidades: Celsius o centígrado (°C), Kelvin (K)

Más allá que la dilatación de un sólido suceda en todas las dimensiones, puede predominar la dilatación de apenas una de sus dimensiones sobre las demás. O aún, podemos estar interesados en una única dimensión del sólido. En este caso, tenemos la dilatación lineal (DL)

¿QUÉ ES TEMPERATURA? TEMPERATURA?

¿Qué ocurre cuando ponemos en contacto a dos  cuerpos o sustancias a diferentes temperaturas?  temperaturas?  Por ejemplo, juntamos dos barras de plomo que se encuentran a diferentes temperaturas. T0 (A)

(Pb)

T0 (B)

(Pb) T0 (A) > T0(B)

A

Tf (A)

B Tf (B)

 lo r 

  C a

∆L = Lo.α.∆T  Lo.α.∆T  ; Lf = Lo.( 1 + α.∆T)  α.∆T)  Lo: Longitud inicial (m) Lf: Longitud final (m) α: Coeficiente de dilatación lineal (°C -1)  ∆T: Cambio de temperatura (°C)  

DILATACIÓN SUPERFICIAL Es el aumento superficial que experimenta un cuerpo al ser calentado.

Sf  :  : superficie final (m) So : superficie inicia (m)l  ∆T = Tf –  Tf –  To  To : variación de temperatura (°C) ß : coeficiente de dilatación superficial (°C -1)

(Pb)

(Pb)

A

B

Aisl Ai slante ante Térmico Cond uctor Térmico

Si los ponemos en contacto, se observa que la temperatura de la barra de plomo B se incrementa  por lo tanto aumenta su energía interna, por otro lado la temperatura de la barra (A) disminuye, por ello podemos concluir que la barra A le está transfiriendo cierta cantidad de energía interna a la  barra B y esto ocurre ocurre en forma espontáne espontánea; a; desde la sustancia de mayor temperatura (A) hacia la de menor temperatura (B), a esta energía transferida la denominamos calor (Q).

¿QUÉ ES EL CALOR? Es aquella energía en tránsito, que pasa de un cuerpo a otro en forma espontánea, debido a la diferencia de temperatura. ¿Cuándo cesa la transferencia de energía?  energía?   Cuando ambas sustancias alcanzan igual temperatura, denominada “Temperatura de Equilibrio Térmico T E”.

 

 

CAPACIDAD CALORÍFICA (C) 

Donde: Tf = Tf = TE (A)

(B)

Para representar en forma práctica la transferencia de energía utilizaremos un DIAGRAMA LINEAL DE TEMPERATURAS, como se muestra:

Es una característica de un cuerpo cuyo valor expresa la cantidad de calor que q ue debe ganar o perder  para variar su temperatura en un grado. C=

QS

Q S= C T



 

Q gana (B)

Q pierde (A)

T(°C) T0 (B)

 

T0 (A)

TE

Por conservación de la energía: Q

  gana (B)

Un id a d : Ca l/º C

T

= 

Q

  pierde (A)

¿QUÉ CAMBIO DE que FASE? Es ES un UN fenómeno físico consiste

en un reordenamiento molecular que experimenta una sustancia debido a una variación en su energía  potencial intermolecular a determinados valores de  presión y temperatura (condiciones (condiciones de saturación). Los cambios de fase de una sustancia pura son:  a   t a  e c   i  r e    d d   n   i  ó  n  a c  v a  c  i  ó  a   m   i   m   b  l  i   r e  e s   b  l  i   S  u   r e    e g    S  u

Q : Cantidad de calor

CALOR SENSIBLE (QS)  Es la cantidad de calor que se requiere para que una sustancia cambie de temperatura. Consideremos dos barras de plomo colocados

GASEOSO

Solidificación

SÓLIDO

V    a   p   C   o   o  r   n  d    i  z  a   e  n   c  i  ó   s  a   n   c  i  ó   n  

LÍQUIDO

Fusión

ambos a las hornillas de una cocina . T = 10 °C °C (Pb)

QT

T = 1 0° 0°C (Pb)

0

=

mL

0

5 kg

1 kg

 

Donde : Donde L : C alor alor lat atent entee (su val alor or depend dependee de la

C o cin a

Q 1 (Cal (Calor or sensibl sensible) e)

C o cin a

Q 2 (Cal (Calor or sensi sensible)

sustan ci ciaa y cambio cambio de fase). ase).  Un  Un id a d :

ca l kca l ; g kg

Para el agua: Si se encienden las hornillas y se desea que alcancen ambos la misma temperatura, por ejemplo 20°C; se debe transferir mayor calor a la barra que tiene mayor masa. QS

=

(T=0ºC, P=1atm) Fusión - solidificación L fus usiión

=

L sol solidif  dif 

ca l =

g

80

kca l kg

Vaporización-Condensación



T: Variación en la temperatura Q: Calor (cal) m: Masa (g) Ce: Calor específico (cal/g°C)

Agua líquida Agua sólida (hielo) Vapor d e a gua Vidrio Cobre (Cu) Plomo Pl omo (Pb)

80

(T=100ºC, P=1atm)

Ce mt

SUSTANCIA

=

L va ppoo ririz

 cal  Ce  gº C    1 0,5 0, 5 0,5 0, 5 0,2 0, 2 0,093 0,03

=

L co nd nd en en s

=

54 0

ca l =

g

5 40

kca l kg

¿Qué significa para el agua que?   L fusió n = Lso lid if  = 8 0

 c al   g

Significa que: a condiciones de saturación, por cada gramo de agua le debemos entregar o sustraer 80cal  para que ca cambie mbie de fase.

 

PROBLEMAS PARA RESOLVER EN CLASE 1.  La longitud de un puente es 100 m cuando la temperatura es 20 °C. ¿En cuánto aumenta su longitud en un día de verano en que la temperatura es 40 °C, (αpuente = 2×10−4°C−1)? A) 50 cm D) 45cm

B) 40 cm E) 60cm

C) 10 cm

2.  Se tiene un círculo metálico de radio 1cm y β = 2,02×10−4  °C−1. ¿En cuántos °C se debe elevar la temperatura, de tal modo que el nuevo radio del círculo sea igual a 1,02cm? A) 200°C D) 100°C

B) 220°C E) 160°C

C) 150°C

3.  En la figura, determinar la temperatura que debe incrementarse a ambas barras para que  justamente se junten. (α1 = 15x10 15x10-4 °C-1; α2=10-3 °C-1). A) 50°C D) 10°C

B) 400°C E) 40°C

C) 1°C

7.  A un bloque de metal de 50 gramos cuyo calor

específico es 0,2 cal/g°C se le suministra 400 cal. Determínese la variación de temperatura que experimenta. A) 100°C D) 10°C

A) 78°C D) 18°C

B) 200°C E) 40°C

C) 9°C

3

m

5.  Una barraa de44°C. aluminio de 0,01¿Cuál   a 16°C se calienta Calcule: fue su Dilatación Cúbica? Si  = 23.  10 6 º C 1  para

(

el aluminio. −5 3 A) 0,9.10 ,9.10 m   −4 3 C) 2,3.10 ,3.10 m   −6 3 E) 2,3.10 ,3.10 m  

−

−

)

B) 1,9.10−5 m3   −5 3 D) 2,3.10 ,3.10 m  

6.  Una vasija de vidrio contiene 1000 cm 3  de mercurio lleno hasta el borde. Si se incrementa la temperatura en 100 °C y el recipiente alcanza un volumen de 1 009 cm 3, ¿Cuánto de mercurio se derrama? (αHg = 6×10−5 °C−1) A) 18cm3  B) 10cm3  B) 9cm3  3 D) 12cm   E) 15cm3 

C) 1°C

8.  Se tiene 40g de agua a 10°C y se mezcla con 60g de agua a 90°C, todo en un recipiente de capacidad calorífica despreciable. ¿Cuál es la temperatura final de la mezcla? A) 12°C D) 40°C

B) 24°C

C) 32°C E) 58°C

9.  ¿Qué cantidad de calor será necesario para vaporizar totalmente 10 gramos de hielo que se encuentra a –  a – 20°C? 20°C? A) 4300 cal B) 8300 cal D) 10300 cal

C) 9300 cal E) 7300 cal

10.  ¿Cuántos gramos de agua a 10 °C deben mezclarse con 70 gramos de agua a 50 °C para obtener agua a 35 °C? A) 65 g D) 48 g

4.  Se tiene un círculo metálico de radio 1 cm y ß=2,02x10-4  °C-1. ¿En cuántos °C se debe elevar la temperatura, de tal modo que el nuevo radio del círculo sea igual a 1,02 cm?

B) 400°C E) 40°C

B) 45 g E) 34 g

C) 42 g

11.  Qué cantidad de calor en calorías; se requiere  para elevar la temperatura de 150 gramos de agua contenidos en un depósito, desde la temperatura de 15 °C a la de 60 °C. A) 6750 cal D) 4800 cal

B) 4500cal

C) 2300cal E) 2000 cal

12.  Si se mezclan 200 g de H 2O a 20°C con 500 g d H2O a 50°C y con 800 g de H 2O a 80°C. Determinar la temperatura de equilibrio. A) 60° C D) 65°C

B) 70°C

C) 40°C E) 62°C

13.  Dentro de un recipiente térmicamente aislado se tiene m; 2 m y 3 m gramos de agua a temperaturas de 10; 20 y 30°C. Determinar la temperatura de equilibrio. A) 23, 3°C D) 25, 2°C

B) 20°C C) 28°C E) 18, 2°C

 

14.  Un trozo de metal, de 400 gramos y Ce=0,3 cal/gºC y que se encuentra a 180 ºC, es introducido en un recipiente (con capacidad calorífica despreciable) que contiene 1,2 litros de agua a 26 ºC. ¿Cuál será la temperatura de equilibrio térmico del sistema? A) 30 ºC D) 40 ºC

B) 36 ºC E) 44 ºC

C) 38 ºC

15.  Un bloque de hielo de 100 g a 0°C se desliza con una velocidad inicial de 80 m/s sobre un  plano horizontal rugoso. Si asumimos que todo el calor disipado debido al rozamiento lo absorbe el hielo. ¿Qué cantidad de hielo se funde hasta el momento que el bloque vuelva a detenerse? A) 0, 4 g D) 0, 96

B) 0, 45

C) 0, 8 E) 1

5.  Determinar la cantidad de calor necesario para convertir 2 kg de hielo a  – 10° 10° C en agua a la temperatura de 0°C. A) 180 kcal E) 120 kcal

B) 160 kcal

C) 70 kcal E) 170 kcal

6.  Una bala de 200 g de masa que viaja a 200 m/s se incrusta en un gran bloque de hielo que está a 0°C, determine qué cantidad de hielo se derrite si asumimos que el 50% del calor librado lo absorbe el hielo. A) 1 g D) 6

B) 2 E) 8

C) 5

7.  Determinar el equivalente en agua de un calorímetro que contiene 100 g de agua a 20°C, sabiendo que si se introducen 100 g de hielo aa –   –  5°C de final queda sólo agua a 0°C en el calorímetro.

PRACTICA DOMICILIARIA 1.  Una cinta metálica de acero es exactamente de 2m de longitud cuando la temperatura es 0 °C. ¿Cuál es la longitud cuando la temperatura sube a 30 °C? (αacero = 11x10-6 °C-1). A) 200,050cm B) 200,060cm C) 200,030cm D) 200,077cm E) 200,066cm 2.

Dos varillas, una de hierro y otra de zinc, tienen 25,55cm y 25,5cm de longitud respectivamente a 0 °C. ¿A qué temperatura tendrán las dos varillas la misma longitud?   (Fe = 0,000 01 °C 1 ; zn=0,00003°C 1). −

−

A) 78,03°C B) 198,18°C D) 18,05°C

C) 98,13°C E) 40,10°C

3.  Halle la variación de volumen experimentada   3  por un bloque de fundición de 5x10x6 cm , al calentarlo desde 15°C hasta 47°C. (α para la fundición es 10−5 º C−1 ) A) 0,15 cm3   D) 0,34

B) 0,21 E) 0,26

C) 0,29

4.  Se tiene 80 g de agua a 95°C. Determinar cuántos gramos de agua a 5°C se debe agregar  para que la temperatura final de equilibrio sea 25°C. A) 280 g D) 300 g

B) 140 g E) 600 g

C) 560 g

A) 312, 5 g D) 193, 2

B) 220 E) 403

C) 255, 7

8.  Del interior de una congeladora se ha extraído 6kg de hielo a –  a – 20°C 20°C ¿Cuánta energía calorífica absorberá el hielo hasta llegar a obtener 2kg y hielo y 4 kg de agua líquida? A) 60kCal B) 320kCal D) 450kCal E) 500kCal

C)380kCal

9.  Una cacerola tiene una capacidad calorífica de 60 cal/°C. Cuando su temperatura era 20°C, recibió 240 cl. ¿Cuál será su temperatura final? A) 20°C D) 26

B) 22 E) 23

C) 24

10.  Un trozo de metal de calor específico Ce = 0, 6 cal/g °C yque masa = 400 g recibe 3600 cal, de manera su mtemperatura aumenta hasta 100°C. ¿Cuál era la temperatura inicial del metal? A) 85°C D) 86

B) 87 E) 88

C) 89

11.  Abriendo la llave de agua caliente de una tina se vierten 60 litros de agua a 80°C. ¿Cuántos litros de agua fría a 10°C se necesitan para bajar la temperatura a 40°C?. A) 60 litros D) 90

B) 70 E) 100

C) 80

 

12.  Suponga que 1 kg de plomo a 200°C se coloca en un calorímetro que contiene 170 g de agua a 0°C ¿Cuál es el calor que absorbe el calorímetro si la temperatura de equilibrio es 10°C?. (Ce Pb = 0, 03 cal/g°C). A) 4400 cal D) 4200

B) 4600 E) 4000

C) 4800

13.  Se introduce 10 g de hielo a -10°C en un calorímetro que contiene 200g de agua a 25°C, si no se tiene en cuenta el calorímetro, la temperatura final será: A) 12, 5°C D) 17°C

B) 15°C E) 10°C

C) 20°C

14.  Se tiene un recipiente metálico de 400g a 100°C, en él se vierte 200cm 3 de agua a 10°C de manera que la temperatura de equilibrio es 50°C. Determinar el calor específico del metal (en Cal/g°C). A) 0,2 D) 1

B) 0,4

C) 0,8 E) 1,8

15.  Un bloque metálico (Ce=0,1 cal/gºC) es lanzado sobre una superficie horizontal áspera con 10m/s. Determine cuánto es el incremento de su temperatura cuando se detiene, sabiendo que logró absorber el 60% del calor disipado . (1 J=0,24 cal).  A) 72 ºC D) 124 ºC

“EL

B) 48 ºC E) 20ºC

SECRETO

C) 24 ºC

PARA

SALIR

ADELANTE ES COMENZAR”  “CONFIA

EN

TI

MISMO

SIN

IMPORTAR LO QUE LOS DEMAS PIENSAN”  

 

EXCELENCIA EN PREPARACIÓN ACADÉMICA

COMPENDIO SEMANA 9

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