FÍSICA 10 CIENCIAS

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CALOR

Es una energía que se transmite de un cuerpo a otro siempre y cuando mantengan una diferencia de temperatura. CANTIDAD DE CALOR (Q) Es una forma de energía que se transmite desde un cuerpo de alta temperatura hacia un cuerpo de baja temperatura. El calor sólo existe como energía en tránsito entre dos cuerpos que mantienen una diferencia de temperatura.

Q = Ce.m. ∆T (Unidad S.I.: Joule ≡ J) • m: masa de la sustancia • Ce: calor específico de la sustancia • ∆T: variación de la temperatura • ∆T = TF – T0

Equivalente mecánico del calor:

1 cal = 4,18 J 1J = 0,24 cal Principio de la Calorimetría “Equilibrio térmico” En una mezcla de dos o más sustancias, el calor perdido por una o varias de ellas es ganado por las restantes.

Calor perdido ≡ Calor ganado

Capacidad calorífica (C): QC m CeT

= = ⋅∆

(Ce: calor específico, m: masa) Calor latente (L):

QLm

= cal kcal Jo og kg kg

Cambios de estado Normalmente, una sustancia experimenta un cambio de temperatura cuando absorbe o cede calor al ambiente que le rodea. Sin embargo, cuando una sustancia cambia de fase absorbe o cede calor sin que se produzca un cambio de su temperatura. El calor Q que es necesario aportar para que una masa m de cierta sustancia cambie de fase es igual a Q = mL Dónde: L se denomina calor latente de la sustancia y depende del tipo de cambio de fase. Cambios de estado para el agua: Fusión – solidificación ⇒ T = 0°C

Calor de cambio de fase (fusión) ⇒ QF = 80.m • El calor latente de fusión concuerda en módulo con

el calor latente de solidificación.

vaporización – condensación ⇒ T = 100ºC • Calor de cambio de fase ⇒ QV = 540.m

(Vaporización)

FORMAS DE TRANSPORTAR EL CALOR Conducción

Se dan en los metales, se produce por interacción sucesiva entre moléculas. La conductividad de sólidos metálicos es centenares de veces mayores que los líquidos y sólidos no metálicos.

Convección

Esta forma de transportar el calor se dan básicamente en los fluidos (líquidos y gases) y se debe a un desplazamiento neto de moléculas de zonas de mayor temperatura a zonas de menor temperatura

Por Radiación

Los cuerpos calienten emiten radiación electromagnética (ondas infrarrojas), son ellas las que transportan el calor, se da principalmente en el vació y con menor grado en los gases y líquidos.

EJERCICIOS DE CLASE 1. Respecto al concepto de temperatura señale la

verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones: I. En el S.I. la temperatura es una cantidad física

derivada. II. En un proceso de contacto térmico la temperatura

es directamente proporcional al calor recibido. III. La temperatura es una forma de energía.

A) VFF B) FFF C) FVF D) VVF E) VFV

2. Respecto al concepto de temperatura señale la

verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones: I. La temperatura nos indica el grado de calor que

tiene un cuerpo. II. La temperatura es aquella propiedad de un

cuerpo que en forma espontánea se iguala a la de otro cuerpo cuando es puesto en contacto térmico con él.

III. La temperatura es una propiedad de los cuerpos y el calor es un flujo de energía entre cuerpos que tienen diferente temperatura.

A) FVF B) VFF C) FVV D) FFF E) VVV

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10 CIENCIAS

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Física Teoría y ejercicios – Semana 10


3. Señale la verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones: I. Si un cuerpo (1) tiene mayor temperatura que el

cuerpo (2) entonces la cantidad de calor que tiene (1) es mayor que (2).

II. Dos cuerpos en contacto térmico intercambian temperatura.

III. Si un cuerpo (1) tiene la misma temperatura que otro (2) entonces la cantidad de calor que tiene (1) es igual que la de (2).

A) VVV B) FFV C) VVF D) FVF E) FFF

4. Indique las afirmaciones correctas respecto de la ley cero de la termodinámica. I. Dos cuerpos a diferente temperatura están en

equilibrio térmico. II. Si dos cuerpos A y B están por separado en

equilibrio térmico con otro cuerpo C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre si.

III. Según este principio se construye los termómetros.

A) Solo I B) Solo II C) Solo III D) I y II E) II y III

5. Señale la verdad (V) o falsedad (F) de las

proposiciones siguientes: I. Dos cuerpos aislados e inicialmente a

temperaturas distintas y en contacto térmico, intercambian temperaturas antes de llegar al equilibrio térmico.

II. El instrumento para medir la temperatura se basa en la ley cero.

III. Si un cuerpo A está en equilibrio térmico con otro B, entonces no hay intercambio neto de energía calorífica entre A y B.

A) FFV B) FFF C) FVV D) VVV E) FVF

6. De la Ley Cero de la termodinámica se concluye

que: I. Dos cuerpos en contacto térmico con un tercero

se encuentran en contacto térmico entre si. II. La temperatura es una propiedad de los cuerpos

que permite establecer la condición de equilibrio térmico.

III. Dos cuerpos a la misma temperatura tienen la misma cantidad de calor.

A) VVV B) VVF C) FVV D) FVF E) VFV

7. Con referencia al calor, ¿cuáles de las siguientes proposiciones son verdaderas? I. Es la energía que se transfiere de un cuerpo a

otro debido a que ellos se encuentran a diferente temperatura.

II. Puede transferirse calor de un cuerpo caliente hacia otro cuerpo frío.

III. La caloría es una de las unidades que se utiliza para cuantificar la cantidad de calor contenida en un cuerpo.

A) Solo I B) Solo II C) Solo III D) I y II E) I y III

8. Marque verdadero (V) o falso (F) según

corresponda: I. Un cuerpo tiene más calor cuanto más energía

puede transferir a otro cuerpo que se encuentre a menor temperatura.

II. El calor es una cantidad que no se puede describir en términos de longitud, masa y tiempo, por tanto es una cantidad física fundamental.

III. Al nivel del mar la caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua desde 14,5 a 15,5 °C.

A) FVV B) FVF C) VFF D) FFV E) FFF

9. Indique la verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes

proposiciones: I. Una caloría, es el calor necesario para elevar la

temperatura de 1 g de H2O a 1 atmósfera, de 14,5 ºC a 15,5 ºC.

II. El calor almacenado en un cuerpo, siempre produce un aumento de temperatura.

III. La equivalencia entre la caloría y el joule es: 1 J 4,186= cal.

A) VFF B) VVF C) VVV D) FVF E) VFF

10. Un bloque de 2 kg es lanzado con una rapidez de

10 m/s sobre una superficie horizontal rugosa (µk = 0,5); calcule la cantidad de calor (en cal) que se disipa, si el bloque se desplaza 9 m.

A) 2,39 B) – 2,39 C) – 4,78 D) 23,9 E) – 23,9

11. Un motorcito desarrolla una potencia 1kW al

accionar unas paletas que agitan el agua contenida en un recipiente. ¿Qué cantidad de energía (en kcal) se le habrá proporcionado al agua de 1 minuto? Considere que toda la energía suministrada por el motor es absorbida por el agua. (1 J 0,24 cal)≡

A) 10,2 B) 12,2 C) 14,4 D) 14,4 E) 18,6




T(ºC)

Q(cal)

40

600 800 200

Q1

80

0

‒ 10

40

120

100 200 320 Q (Kcal)

T (ºC)

12. Una masa de 300 g de vapor de agua a 100 ºC se enfría hasta obtener hielo a 0 ºC. ¿Cuántas kilocalorías se le sustrajo en el proceso? (El calor latente de vaporización del agua es 540 cal/g y el calor latente de fusión del hielo es 80 cal/g) A) 180 B) 196 C) 216 D) 226 E) 230

13. Un recipiente de capacidad calorífica despreciable

contiene 40 gramos de hielo a –20 ºC. ¿Cuántos gramos de agua a 100 ºC se debe verter en el recipiente, para obtener finalmente agua líquida a 0ºC? A) 18 B) 20 C) 30 D) 36 E) 42

14. Un estudiante mezcla dos cantidades de un mismo líquido que están a diferentes temperaturas. La masa y la temperatura del líquido más caliente son tres veces la masa y la temperatura del líquido más frío, respectivamente. La temperatura inicial del líquido frío es 25 ºC, entonces la temperatura de equilibrio de la mezcla es:

A) 32,5ºC B) 42,5ºC C) 53,5ºC D) 62,5ºC E) 65,0ºC

15. Una bola de 50 gramos de masa se desplaza con

una rapidez de 200 m/s, e impacta en un bloque de hielo que se encuentra en reposo y está a una temperatura de 0 ºC. Considerando que toda la energía cinética de la bola se convierte en calor, determine la masa de hielo que se derrite. (equivalente mecánico del calor: 1 J = 0,24 cal)

A) 1 g B) 3 g C) 4 g D) 5 g E) 6 g

16. Cierta masa “m” de una sustancia en su fase líquida

es calentada desde – 80 ºC, como muestra la gráfica T vs Q. Si se sabe que su calor específico en la fase líquida es 0,25 cal/g.ºC. Calcule su calor latente de vaporización (en cal/g).

A) 200 B) 300 C) 40 D) 20 E) 30

17. Halle la temperatura final (en ºC) de la mezcla de 992 gramos de hielo a 0 ºC y 160 g de vapor de agua a 100 ºC.

A) 20 B) 30 C) 40 D) 50 E) 60

18. En un recipiente adiabático, se tiene MH kg de hielo

a 0 ºC y MV kg de vapor a 100 ºC. Halle la relación entre MH y MV para que en el equilibrio térmico la temperatura sea 0ºC

A) MH > 3 MV B) MH = 3 MV C) MH ≤ 3 MV D) MH ≥ 8 MV E) MH ≤ 5 MV

19. Determinar la altura de una catarata, sabiendo que

la diferencia de temperaturas entre las agua de arriba y las de abajo es 1,0 ºC. Calor específico del agua: 4 200 J/kg.ºC; g = 10 N/kg.

A) 200 m B) 240 m C) 300 m D) 350 m E) 420 m

EJERCICIOS DE EVALUACION

1. El comportamiento de La temperatura de un cuerpo

de masa 0,5 kg en función del calor recibido, es tal como se muestra en la figura. Determine los calores específicos (en cal/gºC) en las fases sólido y líquido respectivamente.

A) 2 ; 3 B) 4 ; 3 C) 5 ; 3 D) 6 ; 4 E) 6 ; 5

2. Determine la cantidad de calor que se le debe

suministrar a 20 g de hielo a −20 ºC para llevarlo hasta vapor a 120 ºC.

A) 14 400 cal B) 14 800 cal C) 15 000 cal D) 15 200 cal E) 15 900 cal

3. En un calorímetro cuyo equivalente en agua es 20 g

se tiene 40 g de agua a 20 ºC. Si se introduce en el agua un cuerpo de 80 g a 50 ºC, la temperatura final de equilibrio es de 40ºC. Halle el calor específico del cuerpo (en cal/gºC).

A) 0,5 B) 1,0 C) 1,5 D) 2,0 E) 2,5




T(ºC)

Q(cal) 10

120

180 30

−20

0 200

37º

V0 = 2m/s

µk = 0.5

4. Un recipiente térmicamente aislado contiene 200 g de agua a una temperatura de 25 ºC. Si se añade 20 g de hielo a una temperatura de − 5 ºC. Determine la temperatura de equilibrio (en ºC) de la mezcla. A) 6,2 B) 8,2 C) 9,6 D) 15,2 E) 16,4

5. Un calentador eléctrico de 350 W se emplea para hacer hervir 500 g de agua. Si inicialmente la temperatura del agua es 18 ºC, ¿cuánto tiempo (en minutos) se emplea en hervir el agua? (1 cal = 4,2 J)

A) 6,2 B) 8,2 C) 8,4 D) 8,6 E) 9,2

6. Un proyectil penetra en una pared con rapidez de

200 m/s. Sí el 20% de su energía cinética se transforma en energía calorífica, halle el aumento de temperatura que experimenta el proyectil de calor específico 400 J/kg ºC. A) 5 ºC B) 6 ºC C) 9 ºC D) 10 ºC E) 11 ºC

7. En la figura se muestra un bloque de masa 2 kg que

es lanzado desde la base de una rampa, con una rapidez de 2 m/s. Si la rampa es de superficie rugosa, calcule la cantidad de energía que se transforma en calor. (1 J = 0,24 cal)

A) 0,160 cal

B) 0,384 cal C) 0,768 cal

D) 0,867 cal

E) 1,600 cal

8. ¿Cuánto calor se necesita para elevar 10ºC a 90ºC la temperatura de un tanque de acero vacío con masa de 10Kg? (Ce del acero = 450 J/kg ºC)

A) 180 kJ B) 200 kJ C) 250 kJ D) 300 kJ E) 360 kJ

9. Un lingote metálico de 50 g se calienta hasta 200ºC

y luego se introduce en un vaso de laboratorio que contiene 0,40 kg de agua inicialmente a 20ºC. Si la temperatura de equilibrio final del sistema mezclado es de 22,4ºC. Determine el calor específico del metal en J/KgºC. (Ceagua = 1 cal/gºC, 1 cal = 4,2J) A) 453,6 B) 534,6 C) 226,8 D) 353,2 E) 360,6

10. El agua en la parte superior de las cataratas del

Niágara tiene una temperatura de 10ºC. SI esta cae una distancia total de 50 m y toda su energía potencial se emplea para calentar el agua, calcule el aumento de la temperatura del agua en el fondo de la catarata. (Ceagua = 4 200 J/kgºC, g = 10 m/s²) A) 0,119 °C B) 0,215 °C C) 0,418 °C D) 11,9 °C E) 1,19 °C

11. El comportamiento de La temperatura de un cuerpo de masa 0,5 kg en función del calor recibido, es tal como se muestra en la figura. Determine los calores específicos (en cal/gºC) en las fases sólido y líquido respectivamente.

A) 2 ; 3 B) 4 ; 3 C) 5 ; 3 D) 6 ; 4 E) 6 ; 5 12. Se tiene un bloque de hielo de 10 gramos a una

temperatura de –10 ºC. ¿Qué cantidad de calor (en cal) se le debe entregar para convertirlo en agua a 50 ºC? Chielo = 0,5 cal/g.ºC ; LF = 80 cal/g.

A) 1 250 B) 1 350 C) 1 450 D) 1 550 E) 1 650

13. Tres esferas metálicas del mismo material de

masas: M1 = 100 g, M2 = 200 g y M3 = 300 g respectivamente, se encuentran a las temperaturas de T1 = 30 ºC, T2 = 20 ºC y T3 =10 ºC respectivamente, se ponen en contacto dentro de un recipiente térmicamente aislado (adiabático). Si las esferas están hechas del mismo material, calcule la temperatura de equilibrio que alcanzan las esferas.

A) 15,5 ºC B) 16,7 ºC C) 18,3 ºC D) 25,5 ºC E) 58,7 ºC

14. La gráfica muestra la temperatura versus el calor

transmitido a un cuerpo de 10 gramos de masa. Calcular el calor latente de fusión de la muestra.

A) 18 cal/g B) 15 cal/g C) 30 cal/g D) 20 cal/g E) 16 cal/g

−10

40

120

100 200 320 Q (Kcal)

T (ºC)


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