DISCUSION N 1

PAGE Gua N 6: Calor y La Primera Ley de la Termodinmica Ciclo I/2015

UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR

FACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURA

UNIDAD DE CIENCIAS BSICAS

FSICA II/2015GUA DE DISCUSIN N 6calor Y LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA(1 PARTE)

A. Definir, explicar o comentar los siguientes conceptos. (Este literal es necesario que el estudiante lo conteste antes de recibir la discusin ya que le servir para contestar los literales (B) y (C). 1. Calor11. Calor latente de: fusin, vaporizacin, condensa-

cin, solidificacin, sublimacin, deposicin.

2. Calora12. Mecanismos de transferencia de calor:

3. Kilocalora a) Conduccin

4. Btu b) Conveccin

5. Equivalente mecnico del calor c) Radiacin

6. Capacidad calorfica 13. Gradiente de temperatura

7. Calor especfico14. Conductividad trmica

8. Calor latente de transformacin15. Conveccin natural

9. Potencia radiada16. Conveccin forzada

10. Variables termodinmicas17. Ley de stefan- Boltzmann

B. Dadas las siguientes preguntas seale la respuesta correcta. Razone su respuesta.

1) dos cilindros slidos idnticos, largos, delgados, se usan para conducir calor de un depsito a una temperatura a otro con temperatura . Originalmente estn conectados en serie, como se ve en la figura (a) y la rapidez de transferencia de calor es . Si estn conectados en paralelo como se muestra en la figura (b), con qu rapidez se transfiere el calor?

2) dos cilindros slidos largos y delgados tienen el mismo tamao, pero estn hechos de sustancias distintas, cada uno con su respectiva conductividad trmica. Estn conectados en serie entre un depsito a una temperatura y otro a una temperatura . La temperatura en la frontera entre ellos es . Puede concluirse que: a) es exactamente la mitad entre y

b) se acerca ms a que a

c) se acerca ms a que a

d) se acerca ms a la temperatura del depsito que est en contacto con el cilindro que tiene menor conductividad trmica.e) est ms cerca de la temperatura del depsito que est en contacto con el cilindro que tiene mayor conductividad trmica.

3) una fuente de calor esfrica de radio se encuentra en el centro de una esfera slida uniforme de radio . La rapidez con que se transfiere calor a travs de la superficie de la esfera es proporcional aa)

b) c) d)

e) 4) un cubo de 100 g de aluminio originalmente a 120c se introduce en un contenedor aislado de agua cuya temperatura inicial es 18c. transcurrido algn tiempo, el sistema alcanza el equilibrio y la temperatura final del agua es 22c. Respecto a la temperatura final del cubo de aluminio se puede decir que:a) es mayor que 22c

b) es igual a 22c

c) es menor que 22cd) podra ser mayor o menor que 22C, segn la masa del agua.5) el bloque es un bloque de aluminio de 50g originalmente a 90c. el bloque b es tambin un bloque de aluminio de 100g originalmente a 45C. los dos se colocan en dos contenedores separados, de 1.0 litro de agua cuya temperatura original era 20c. cuando los sistemas alcanzan el equilibrio trmico, cul de los dos bloques tendr la ms alta temperatura final?

a) el bloque ab) el bloque bc) los bloques tendrn la misma temperatura final.

d) la respuesta depende del calor especfico del agua.6) un bloque de hielo de 1 kg a 0c se introduce en un contenedor sellado perfectamente aislado que tiene 2 kg de agua tambin a 0c. el agua y el hielo lo llenan por completo, pero ste es flexible. Al cabo de un tiempo cabe esperar.a) que el agua se congele y, por consiguiente, que tambin aumente la masa del hielo.

b) que el hielo se funda y que, por consiguiente, su masa aumente.

c) que la cantidad de agua y de hielo permanezcan constantes.

d) que la cantidad de agua y de hielo disminuyan.

7) El calor especfico de una sustancia es una propiedad que:a) Es inversamente proporcional a la masa de sustancia que se tenga.

b) Es directamente proporcional al calor suministrado a la sustancia.

c) Es directamente proporcional al cambio de temperatura que experimenta la sustancia.

d) No depende de las magnitudes antes mencionada.

8) Un calormetro contiene agua a y se le agrega otra cantidad igual de agua a . Si se desprecia la capacidad calorfica del calormetro, la temperatura de equilibrio es en :a)

b)

c)

d) No se puede saber por no conocer las masas de agua.

9) Un filamento de tungsteno rada una potencia de , cuando se halla a una temperatura de . La temperatura en kelvin para que la potencia rediada sea de debe ser:a)

b)

c)

d) No se puede saber por falta de informacin

10) Dos barras y tienen longitudes iguales y seccin circular tal que el dimetro de es el doble del dimetro de . Sometidas a la misma diferencia de temperatura en los extremos, ambas conducen calor con la misma rapidez. La relacin entre sus conductividades trmicas es:a)

b)

c)

d)

c. Conteste las siguientes preguntas, razonando su respuesta.

1) Puede aadirse calor a una sustancia sin causar que la temperatura de la sustancia se eleve? De ser as, contradice esto el concepto de calor como energa en el proceso de transferencia debido a una diferencia de temperatura?

2) Por qu debe suministrarse energa calorfica para fundir hielo, si despus de todo, la temperatura no cambia?

3) Un bloque de madera y un bloque de metal estn a la misma temperatura. Cuando los bloques se sienten fros, el metal se siente ms fro que la madera; cuando los bloque se sienten calientes, el metal se siente ms caliente que la madera. Explique, a qu temperatura se sentirn los bloques igualmente fros o calientes?4) Usted introduce su mano en el horno caliente para retirar una cacerola y se quema los dedos con ella. Sin embargo, el aire en el horno est a la misma temperatura que la cacerola y usted no se quema los dedos con l. Por qu no?

5) Est siempre a 0C el hielo?, puede estar ms fro?, puede estar caliente? Qu sucede si hay una mezcla de agua y hielo?

6) Explique por qu los dedos se pegan a una charola metlica de hielo que acaba de sacarse del refrigerador.

7) Es difcil hervir un huevo en agua en la cima de una montaa muy alta, por qu el agua hierve all a una temperatura relativamente baja. Cul es una manera sencilla y prctica de vencer sta dificultad?

8) Explique por qu cabra esperar que el calor latente de vaporizacin de una sustancia fuese considerablemente mayor que su calor latente de fusin.

9) Considere que el calor puede ser transferido por conveccin y radiacin, as como por conduccin. Explique por qu una botella de termo tiene pared doble, sta al vaco y es plateada.

10) Si usted sopla sobre el dorso de su mano con la boca abierta, su aliento se siente tibio; pero si cierra parcialmente la boca formando una o y sopla, su aliento se siente fresco. Por qu?

11) Por qu puede usted quemarse ms seriamente con vapor a 100C que con agua a 100C?12) Una estudiante dijo que es una unidad apropiada para capacidad calorfica especfica. Tiene razn? Por qu s o por qu no?

13) Las unidades de capacidad calorfica especfica son , pero las de calor de fusin o de vaporizacin son slo Por qu las unidades de y no incluyen el factor para definir el cambio de temperatura?

14) Un cubo de hielo sobre una mesa permanece congelado ms tiempo si se envuelve en una toalla de papel hmeda. Por qu?

15) Por qu se cocina la comida ms rpidamente en una olla de presin que en una olla abierta con agua hirviendo?

16) Hay quienes dicen que los cubos de hielo se congelan en menos tiempo si las bandejas se llenan con agua caliente, porque sta se enfra ms rpidamente que la fra. Qu opina usted?

d. Problemas propuestos

1) En cierta casa con energa solar, se almacena energa del sol en barriles llenos con agua. En un lapso de cinco das nublados de invierno, se necesitaron para mantener el interior de la casa a . Suponiendo que el agua de los barriles estuviera a; qu volumen de agua se necesit?

2) Cunta agua permanece sin cogelar despus de haber extrado de calor de de agua lquida inicialmente a?

3) Un pequeo calentador elctrico por inmersin se utiliza para hervir de agua para una taza de caf instantaneo. El calentador es de 220 watts. Calcule el tiempo necesario para llevar esta agua de al punto de ebullicin, despreciando cualquier prdida de calor.

4) Calcule la cantidad mnima de calor necesario para fundir completamente 130 de plata inicialmente a. suponga que el calor especfico no cambia con la temperatura .

5) Qu masa de vapor a debe mezclarse con de hielo a , en un recipiente trmicamente aislado, para producir agua lquida a ?

6) Una herradura de hierro de inicialmente a se sumerge en una cubeta que contiene de agua a. Cul es la temperatura final?, (ignore la capacidad calorfica del recipiente) .

7) Si de agua estn contenidos en un recipiente de aluminio de a y adicionales de agua a se vierten en el recipiente, cul es la temperatura de equilibrio final del sistema? .

8) Cunto calor se necesita para evaporar un cubo de hielo de inicialmente a? El calor latente de fusin del hielo es y el calor latente de vaporizacin del agua es , .

9) En un recipiente aislado se agregan de hielo a a de agua a .

a) Cul es la temperatura final del sistema?

b) Qu cantidad de hielo queda cuando el sistema alcanza el equilibrio?

10) Calcule la cantidad de calor que se perdera en un da de invierno muy fro a travs de una pared de ladrillo de dimensiones y de espesor. La temperatura del interior es de y la temperatura del exterior es de; suponga que la conductividad trmica del ladrillo es de . .11) Considere la placa mostrada en la figura. Suponga que , y que el material es cobre . Si, , y se alcanza el estado estacionario, halle:

a) El gradiente de temperatura

b) La rapidez del calor transferido

c) La temperatura en un punto de la placa a 11.0cm del extremo de mayor temperatura.

12) Dos barras rectangulares de metal idnticas estn soldadas como se muestra en la figura , y a travs de las barras fluyen de calor en 2.0 min. Cunto tiempo transcurrira para que fluyan a travs de las barras si estn soldadas como se muestra en la figura ?

13) Un recipiente en forma de cascarn esfrico tiene un radio interior y un radio exterior . La pared tiene una conductividad trmica . Si el interior se mantienen a una temperatura y el exterior se encuentra a una temperatura , muestre que la rapidez de flujo de calor entre las superficies es: .

14) El interior de un cilindro hueco se mantiene a una temperatura mientras que el exterior est a una temperatura inferior, . La pared del cilindro tiene una conductividad trmica . Ignore los efectos en los extremos y demuestre que la rapidez de flujo de calor de la pared interior a la pared exterior en la direccin radial es:

(Sugerencia: El gradiente de temperatura es . Observe que el flujo de calor radial pasa por un cilindro concntrico de rea )15) Calcule la razn de radiacin de energa por unidad de rea de un cuerpo a:

a) 300 K

b) 3000 K

16) La temperatura de operacin del filamento de tungsteno de una lmpara incandescente es de . Calcule el rea superficial del filamento de una lmpara de si toda la energa elctrica consumida por la lmpara es radiada por el filamento como ondas electromagnticas. (Slo una fraccin de la radiacin aparece como luz visible).

17) Una esfera de tungsteno con radio de se suspende dentro de una cavidad grande vaciada cuyas paredes estn a . Qu suministro de potencia se requiere para mantener la esfera a si se ignora la conduccin de calor por los soportes?

18) Un ingeniero trabaja en un diseo de motor nuevo. Una de las piezas mviles contiene de aluminio y de hierro, y est diseada para operar a . Cunto calor se requiere para elevar su temperatura de a ?19) Una tetera de aluminio de que contiene de agua se pone en la estufa. Si no se pierde calor al entorno, cunto calor debe agregarse para elevar la temperatura de a ?

20) Tratando de mantenerse despierto para estudiar toda la noche, un estudiante prepara una taza de caf colocando una resistencia elctrica de inmersin de en de agua. a) Cunto calor debe agregarse al agua para elevar su temperatura de a ?, b) Cunto tiempo se requiere? Suponga que toda la potencia se invierte en calentar el agua.

21) Se aaden de calor a 3.00 moles de hierro. a) Determine el aumento de temperatura del hierro. b) Si se aade la misma cantidad de calor a de hierro, cunto subir su temperatura? c) Compare los resultados de las partes (a) y (b) y explique la diferencia.

22) Imagine que trabaja como fsico e introduce calor en una muestra slida de a razn de mientras registra su temperatura en funcin del tiempo. La grfica de sus datos se muestra en la figura. a) Calcule el calor latente de fusin del slido. b) Determine los calores especficos de los estados slido y lquido del material.

23) Una bandeja para hacer hielo con masa despreciable contiene de agua a . Cunto calor debe extraerse para enfriar el agua a y congelarla?

24) Cunto calor se requiere para convertir de hielo a en vapor a ?

25) Un recipiente abierto con masa despreciable contiene de hielo a . Se aporta calor al recipiente a una razn constante de durante . a) Despus de cuntos minutos comienza a fundirse el hielo? b) Cuntos minutos despus de iniciado el calentamiento la temperatura comienza a elevarse por encima de ? c) Dibuje una curva que indique horizontalmente el tiempo transcurrido y verticalmente la temperatura.

26) En un experimento de laboratorio de fsica, una estudiante sumergi 200 centavos (cada uno con masa de ) en agua hirviendo. Una vez alcanzado el equilibrio trmico, ella los sac y los puso en de agua a en un recipiente aislado con masa despreciable. Calcule la temperatura final de las monedas (hechas con una aleacin de zinc con capacidad calorfica de ).

27) Un vaso aislado con masa despreciable contiene de agua a . Cuntos kilogramos de hielo a deben ponerse en el agua para que la temperatura final del sistema sea ?

28) Un frasco de vidrio (capacidad calorfica = ) de que contiene una muestra de de una enzima con capacidad calorfica de se enfra en un bao de hielo que contiene agua y de hielo. Cunto hielo se derrite para enfriar la muestra de temperatura ambiente () a la temperatura del bao de hielo?

29) Un lingote de plata de se saca de un horno a y se coloca sobre un gran bloque de hielo a . Suponiendo que todo el calor cedido por la plata se usa para fundir hielo, cunto hielo se funde?

30) Una varilla, larga y aislada para evitar prdidas de calor por sus costados, est en contacto trmico perfecto con agua hirviendo (a presin atmosfrica) en un extremo y con una mezcla agua-hielo en el otro. La varilla consiste en un tramo de de cobre (un extremo en vapor) unido a tope con un tramo de acero (un extremo en hielo). Ambos tramos tienen rea transversal de . La temperatura en la unin cobre-acero es de una vez que se alcanza el estado estacionario. a) Cunto calor por segundo fluye del bao de vapor a la mezcla hielo-agua? b) Qu longitud tiene el tramo de acero?

31) A diario podemos comprobar que los objetos calientes y fros se enfran o se calientan respecto a la temperatura de su entorno. Si la diferencia de temperatura T entre un objeto y su entorno (T = Tobj Tent) no es demasiado grande, la razn de enfriamiento o de calentamiento del objeto es proporcional, aproximadamente, a esta diferencia de temperatura; es decir:

donde A es una constante. El signo menos se debe a que T disminuye con el tiempo si T es positiva, y aumenta si T es negativa. Esto se conoce como la ley de Newton para el enfriamiento. (a) De qu factores depende A? Cules son sus dimensiones? (b) Si en algn instante t = 0, la diferencia de temperatura es To, demuestre que en un tiempo t ms tarde.32) Por la maana se descompone el calentador de una casa. La temperatura exterior es de -7.0C. Como resultado, la temperatura en el interior desciende de 22C a 18C en 45 minutos. Cunto tiempo ms tomar para que la temperatura interior descienda otros 4.0C? Suponga que la temperatura exterior no cambia y que se aplica la ley de enfriamiento de Newton.

33) Un termmetro marca la temperatura de un sistema igual a 80.0C, se mide tambin la temperatura del medio, la cual es de 20.0C. El sistema empieza a enfriarse y tres minutos despus se encuentra que el termmetro marca 75.0C. Determinar la ecuacin del enfriamiento en funcin a los valores dados.

DESARROLLO DE LA DISCUSIN N6 (1 PARTE)

UNIDAD VI: CALOR Y LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA

(6.1 A 6.5.3)

SEMANA 13TIEMPOACTIVIDADCONTENIDOS

100

MINUTOSEL docente inicia la actividad dando lugar a la participacin de los estudiantes tal como se explica en el programa; seccin IV.2 Discusin de problemas.

B:1, 3, 5, 9, 11, 15C: 1, 5, 7, 9, 15

D:1, 4, 6, 7, 14, 20, 31, 40

Fluye calor EMBED Equation.DSMT4 a travs de una losa rectangular cuyo material tiene un espesor EMBED Equation.DSMT4 y una superficie EMBED Equation.DSMT4 .

a) EMBED Equation.DSMT4

b) EMBED Equation.DSMT4

c) EMBED Equation.DSMT4

d) EMBED Equation.DSMT4

e) La respuesta depende de la conductividad

trmica EMBED Equation.DSMT4 de los cilindros

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