1 5. Energía térmica. Solucionario. Preparación de la unidad (pág. 111) Actividades (pág. 113)

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1 5. Energía térmia Soluionario Preparaión de la unidad (pág. Ejemplo : para aumentar la temperatura se puede poner el uerpo en ontato direto on una fuente de alor, tal omo un horno, una estufa, una oina, et. Ejemplo : otra forma de aumentar la temperatura es frotar el uerpo ontra otro uerpo durante un tiempo sufiiente. Al aumentar la temperatura en un uerpo se pueden produir dos efetos, además del propio aumento de temperatura: dilataión y ambio de estado físio. Cuando se ongela el agua su volumen aumenta, por lo que, si se introdue en el ongelador una botella ompletamente llena de agua, podría romperse debido a la presión que ejererá el agua ongelada (que no abrá en la botella. Alaraión: el agua tiene un omportamiento diferente a las otras sustanias uando su temperatura es baja, entre 4 C y 0 C, pues aumenta su volumen al disminuir la temperatura. Prinipio de onservaión de la energía: La antidad de energía del universo se mantiene onstante en ualquier proeso. Energía inétia: es la que posee un uerpo debida a su veloidad. E 5 m? v En este ejemplo, teniendo en uenta el prinipio de onservaión de la energía meánia, y dado que la energía inétia del objeto uando se deja aer es ero, porque no tiene veloidad, y la energía potenial uando llega al suelo también es ero, porque no tiene altura, se de due que: E final 5 Ep iniial 5 m? g? h La variaión de la energía potenial gravitatoria es igual al trabajo del peso durante la aída del uerpo ambiado de signo. D Ep 5 Wp 5 m? g? h 5 Ep iniial Gran parte de la energía inétia de la ápsula se transforma en energía térmia a ausa del rozamiento on las partíulas de la atmósfera. Esta energía térmia se utiliza para fundir el esudo térmio, impidiendo así el sobrealentamiento de la abina. Atividades (pág. 3. El aspeto marosópio del que nos informa la temperatura es el de si un uerpo está aliente o frío. El aspeto mirosópio del que nos informa la temperatura es la agitaión térmia de las partíulas que forman un uerpo. A mayor temperatura, mayor agitaión térmia, y vieversa.. Datos: F 5 3 F. Convertimos la temperatura en grados Celsius: Energía potenial gravitatoria: es la energía que posee un uerpo debida a su posiión on respeto al entro de un ampo gravitatorio. En el aso del ampo gravitatorio terrestre, es la energía debida a la altura a la que se enuentra el uerpo on respeto a la superfiie terrestre. Para pequeñas alturas, su expresión viene dada por: Ep 5 m? g? h C C 00 C ( F 3 80 ( F , 6 ºC La variaión de energía inétia de un uerpo es igual al trabajo de la fuerza resultante que atúa sobre el uerpo: La temperatura es de 0,6 C. D E 5 W r La variaión de energía potenial gravitatoria de un uerpo es igual al trabajo del peso del uerpo ambiado de signo: D Ep 5 W P La energía meánia es la suma de la energía inétia y de las energías poteniales de un uerpo (gravitatoria, elástia, et.. Si sobre el uerpo solo atúan fuerzas onservativas, es deir, si no atúan fuerzas disipativas omo la fuerza de rozamiento, entones la energía meánia se onserva. Datos: C 5 9 C Convertimos la temperatura en grados Fahrenheit: C 00 F 80 9 F C 00 F 3 80 La temperatura es de 66, F ,ºF

2 3. Datos: C 5 0 C Expresamos la temperatura en grados Kelvin. K 5 C 73 K K La temperatura ambiente es de 93 K. Expresamos la temperatura en grados Fahrenheit. C F C F F ºF 00 La temperatura ambiente es de 68 F. 4. No. Es inorreto. El alor no es una araterístia del uerpo, es una forma de interambio de energía y, por lo tanto, solo hay alor en el momento en que aparee una transferenia de energía entre dos uerpos. 9. Los alores espeífios de estas sustanias son: agua alohol 480 agua 480 merurio 40 merurio al ohol 44 Llegará antes a 30 C la masa de la materia que tenga un alor espeífio menor, en este aso el merurio. El merurio aumentará más su temperatura, por uanto solo neesita 40 por de masa para elevar la temperatura K. En ambio, el alohol neesita 44 por de masa y el agua neesita 4 80 por de masa para elevar K su temperatura. 0. Datos: m 50 g 005, 40 t 70º C 543 K t 4º C 97 K 0 Calulamos el alor edido por la broa. m ( t0 t 0, ( 543 K 97 K El alor es una forma de transferenia de energía; en ambio, la temperatura es una medida de la agitaión térmia de las partíulas de un uerpo. En el SI, el alor se mide en julios ( y la temperatura se mide en grados Kelvin (K. 6. Si onsideramos que al 5 4,8, el valor energétio de la raión de ereales expresado en julios será: 4,8 Valor energétio al? 5 al ,7 k 7. El termómetro de alohol onsiste en un tubo apilar de vidrio errado de un diámetro interior muy pequeño (asi omo el de un abello, que uenta on paredes gruesas; en uno de sus extremos se enuentra una dilataión, llamada bulbo, que está llena de alohol. El alohol es una sustania que se dilata o ontrae y, por lo tanto, sube o baja dentro del tubo apilar on los ambios de temperatura. En el tubo apilar se establee una esala que mara exatamente la temperatura en ese momento. Atividades (pág El alor espeífio de una sustania es el alor que debe reibir la unidad de masa para aumentar su temperatura K. ue el alor espeífio del agua sea muy elevado signifia que para aumentar K su temperatura ha de absorber muho alor, y por ello aumenta lentamente su temperatura. Del mismo modo, a la hora de disminuir K su temperatura, el agua tiene que perder una gran antidad de alor, debido a su elevado alor espeífio, y por ello también se enfría lentamente. El alor edido por la broa es de Datos: Metal 5? m g 5 0,4 t 5 80 C K Agua 480 V 5 L 5 0 C 5 83 K Temperatura de equilibrio, t 5 C 5 85 K. Calulamos la masa de agua. agua V L m L agua agua Lagua Apliamos la euaión del equilibrio térmio y aislamos el alor espeífio del metal. Calor edido por el metal 5 alor absorbido por el agua m ( t t m ( t t m ( t t m ( t t 4 80 (85 K 83 K K 0,4 (453 K 85 K 4, 4 El alor espeífio del metal es de 4,4?? K.. Datos: V 5 7 L t 5 40,0 C 5 33 K V 5 5 L 5 8,0 C 5 9 K L de agua tiene una masa de m 5 7 m 5 5

3 Apliando la euaión del equilibrio térmio. m?? (t t 5 m?? ( m? (t t 5 m? ( m? t m? 5 (m m? t m? t m? t 5 5 m m 7? 33 K 5? 9 K K 5 7 La temperatura de equilibrio es de 308 K 5 ( C 5 35 C Atividades (pág Cambio de estado Estado iniial Estado final Absorión o esión de alor Fusión Sólido Líquido Absorión Solidifiaión Líquido Sólido Cesión Vaporizaión Líquido Gas Absorión Condensaión Gas Líquido Cesión Sublimaión Sólido Gas Absorión Condensaión a sólido 4. Datos: m 5 50 g 5 0,5 Gas Sólido Cesión k L V Datos: l m t C t 5 00 C l 5,5? 05 C Hallamos el inremento de temperatura. t 5 t C 0 C 5 80 C Calulamos la longitud final. l 5 l 0 ( l? t l 5 00 m? (,5? 0 5 C? 80 C 5 0,4 m La longitud final del able de aluminio es de 0,4 m. Atividades (pág oule demostró experimentalmente que una misma antidad de energía meánia siempre produe la misma antidad de alor. Por ello deimos que toda antidad de alor tiene un equivalente meánio, que es la energía que produe este alor. Esta equivalenia puede expresarse así: 4,8 5 al 9. Datos: m 5 30 h 5 7,5 m m a 5 0,5 a 5 480?? K t C 5 9 K El trabajo es el produto del peso por la distania reorrida. W 5 m? g? h 5 30? 9,8 m/s? 7,5 m 5 05 Para expresarlo en alorías: al al 48, El alor que debe absorber el beneno líquido es: m LV 05, El alor que tenemos que suministrar es de Algunos de los efetos que el alumno podría enumerar de la fusión de los hielos terrestres pueden ser: Una subida global del nivel de los oéanos por la fusión de los hielos polares, que inundarían entenares de miles de kilómetros uadrados de tierra firme y grandes iudades osteras. La extinión de algunas espeies animales que viven en las zonas polares. La variaión del régimen de vientos y orrientes oeánias en todo el mundo. Atividades (pág Los uerpos que se dilatan on más failidad son los que tienen mayor oefiiente de dilataión, ya que el aumento de longitud es diretamente proporional a este oefiiente. Hallamos la temperatura final del agua a partir de la fórmula del alor absorbido. ma a ( t t0 t t0 + ma a 05 t 9 K + 05, 4 80 K La temperatura final del agua será de 9 C. 9 K 9 º C 0. El trabajo que realizamos sobre el gas es positivo, ya que realizamos una ompresión. W El alor tiene signo negativo, ya que es alor edido. 48, 000 al 480 al Calulamos la energía interna. U 5 W La energía interna aumenta en 80. 3

4 . A lo largo de la historia ha evoluionado de forma importante el onepto de alor. Se pueden onsiderar ino momentos histórios relevantes:. Los uatro elementos: tierra, aire, agua y fuego. Según las onepiones griegas antiguas, todo lo que puede arder ontiene en su interior el elemento fuego (orrespondiente al alor, que se libera bajo ondiiones apropiadas.. El alahesto: onsiderado según Van Helmont ( omo agente universal que produe las reaiones químias y las transformaiones físias. 3. El flogisto: Georg Ernst Stahl ( , adoptó la teoría de su maestro Beher (635-68, según la ual las sustanias están onstituidas por tres lases de «tierra», más el agua y el aire. A uno de los tipos de tierra, el que Beher había llamado «ombustible», Stahl lo denominó flogisto (del griego, que signifia quemado o llama. 4. El alório: oseph Blak ( planteaba el alor omo un fluido que llamó alório, apaz de penetrar todos los uerpos materiales aumentando su temperatura. 5. La energía: la teoría meánia del alor tomó uerpo al enuniarse la idea de que había algún tipo de interrelaión entre el alor y el trabajo. Esta idea ulmina on los trabajos de oule (88-889, que estableen que el alor y el trabajo no son más que manifestaiones de la energía. En las uatro primeras teorías (los uatro elementos, el alahesto, el flogisto y el alório, se onsidera el alor omo una sustania que se enontraba dentro de la materia y que se podía liberar o fluir en ondiiones apropiadas. En la onepión atual, el alor es una forma de energía que se puede transmitir uando existe una diferenia de temperatura entre dos uerpos y que también puede generarse por rozamiento. La antidad de alor edida o absorbida depende de la naturaleza de los uerpos, de la masa y de la diferenia de temperatura. Atividades (pág.. Datos: r 5 95 % 5 0,95 3. La máquina de vapor de Watt se basaba en la llamada máquina de vapor atmosfério que Thomas Newomen ( había inventado en 7. Esta máquina onsistía en un ilindro provisto de un pistón onetado on una aldera en su extremo inferior. La aldera proporionaba vapor de agua que entraba en el ilindro y movía el pistón haia arriba. Cuando el ilindro estaba lleno de vapor, se erraba la entrada del vapor y se enfriaba el vapor del ilindro inyetando agua muy fría en él. El vapor se ondensaba rápidamente, on lo ual se reaba un vaío parial, y la diferenia de presión provoaba el desenso del pistón y la salida del agua. El movimiento ílio de asensión y desenso del pistón se utilizaba para bombear agua del interior de las minas. La máquina de Newomen presentaba el inonveniente de que el ilindro estaba onstantemente enfriándose on el agua de refrigeraión y alentándose on el vapor y, a la larga, el vapor que entraba en el ilindro tenía menos temperatura, se expandía menos y se ondensaba antes. Es deir, el pistón asendía a una altura menor a ada ilo, hasta que llegaba un momento en que el movimiento se detenía. ames Watt ( introdujo el ondensador separado. Es deir, modifió la máquina de Newomen de forma que, una vez el pistón alanza su posiión superior, se abre una válvula en la parte inferior que oneta el ilindro prinipal on un ilindro ondensador sumergido en agua helada. Al abrirse la válvula, el vapor se preipita y se ondensa fuera del ilindro prinipal, ausando el movimiento desendente del pistón. Así, el ilindro prinipal siempre está aliente. Con el ondensador separado, el onsumo del arbón es un terio del de la máquina de Newomen. Watt patentó este dispositivo en 769. En los años siguientes mejoró su máquina y también introdujo meanismos para transformar el movimiento retilíneo del pistón en un movimiento rotatorio. Este movimiento permitía una apliaión direta en los talleres, fábrias y en la loomoión. Todos estos avanes ténios ontribuyeron a la Revoluión Industrial ( Las primeras apliaiones de la máquina de Watt fueron en las minas y los molinos. Posteriormente las máquinas de vapor se emplearon en la industria textil y papelera, así omo en las destilerías y en las obras hidráulias. La máquina de vapor también se utilizó para la loomoión marítima y terrestre. Su uso requería del arbón omo ombustible, materia de la que Gran Bretaña era el prinipal produtor a mediados del siglo xix. 4 Calulamos el trabajo que realiza la máquina. W r W r 095, El trabajo realizado por la máquina es de Apliamos el prinipio de onservaión de la energía. 5 W 5 W El alor que ede al foo frío es de 900. Experienia (pág. Cuestiones a La funión del alorímetro es onseguir que el interambio de alor se realie íntegramente entre las sustanias que hay en su interior (y no on el exterior. Tiene que permaneer errado porque, en aso ontrario, parte del alor sería edido al exterior (o absorbido del exterior. Es deir, el alor no sería interambiado íntegramente entre las sustanias que se enuentran en el alorímetro.

5 b Tenemos que esperar unos minutos antes de medir la temperatura del metal, para que el metal y el agua alanen el equilibrio térmio. De este modo, la temperatura del metal y la del agua son iguales. Datos: Metal 5? m 5 5 g 5 0,5 t 5 90 C K Agua 480 m g 5 0, C 5 89 K Temperatura de equilibrio, t 5 0 C 5 93 K Apliamos la euaión del equilibrio térmio y aislamos el alor espeífio del metal. Calor edido por el metal 5 alor absorbido por el agua m ( t t m ( t t m ( t t m t t ( 047, 480 ( 93 K 89 K 0, 5 ( 363 K 93 K 898, Resoluión de ejeriios y problemas (pág Datos: m 5 5 L F ? hielo 5 090??K agua ??K t C t 5 C El proeso se realiza en dos etapas: a El hielo funde a la temperatura de 0 C. El alor que absorbe es: 5. Datos: m 5 L F 5 333,5 k? L V 5 57 k? hielo 5 090??K agua 5 480??K vapor 5 00??K t 0 5 C t 5 00 C 5 0 C t C El proeso se realiza en ino etapas: a El vapor de agua ede alor al pasar de C a 00 C. t 5 t t C C t 5 C 5 K 5 m? vapor?(t t 0 00 K ( K 4 0 b El vapor de agua ondensa a la temperatura de 00 C. El alor que ede es: 5 m? L V 5? 57000? El agua que resulta de ondensar el vapor disminuye su temperatura de 00 C a 0 C. El inremento de temperatura es: El alor que ede es: t 5 t 5 0 C 00 C t 5 00 C 5 00 K 3 5 m? agua?( t 3 5? 480??K?(00 K d El agua líquida se ongela a la temperatura de 0 C. El alor que ede es: 4 5 m? L F 4 5? ? m? L F 5 5? ? b El agua que resulta de fundir el hielo aumenta su temperatura de 0 C a C. El inremento de temperatura es: t 5 t t 0 5 C 0 C 5 C 5 K El alor que absorbe es: 5 m? agua? (t t 0 5 5? 4 80??K? K El alor total absorbido en el proeso es: e Finalmente, el hielo se enfría de 0 C a 5 C. El inremento de temperatura es: El alor que ede es: t 5 t C 0 C t 5 5 C 5 5 K 5 5 m? hielo? (t K ( 5 K El alor total edido en el proeso es: ( (48000 ( (

6 6 6. Datos: l m m 5,5 t C t 5 50 C l 5,7? 0 5 C 5 385??K a Hallamos el inremento de temperatura. t 5 ( t C 0 C 5 30 C 5 30 K Calulamos el alor absorbido por el metal. 5 m?? t,5 385 K 30 K 7 35 El alor absorbido por el metal es de b Calulamos la longitud final. l 5 l 0 ( l? t l m (,7? 0 5 C? 30 C l 5 000,5 m 7. Datos: l m m 5 3 t C t 5 7 C l 5,? 0 5 C 5 443??K a Hallamos el inremento de temperatura. t 5 t 0 t 5 7 C (0 C 5 8 C 5 8 K Calulamos el alor absorbido por la barra. 5 m?? t K 8 K El alor absorbido por la barra es de b Para hallar la longitud final de la barra apliamos la euaión de la dilataión. l 5 l 0 ( l? t l 5 5 m? (,? 0 5 C? 8 C 5 5,005 m La longitud final de la barra será de 5,005 m. Atividades (págs. 4 y 5 Temperatura y alor 8. Dado que según el modelo inétio-moleular la temperatura es una medida de la agitaión térmia de las partíulas que omponen la materia, el ero absoluto será aquella temperatura para la que el movimiento de las partíulas es nulo. 9. Datos: F 5 37,4 F Convertimos la temperatura en grados Celsius. C F 3 F 3 C , 4 3 C 00 3ºC 80 Convertimos la temperatura en grados Kelvin. K 5 C K La temperatura es de 3 C, o bien 76 K. 30. Datos: T 5 36 C T 5 37,5 C Convertimos las temperaturas en grados Fahrenheit: C F C F F , 8 º F 00 F 80 37, , 5 º F Las temperaturas en grados Fahrenheit son 96,8 F y 99,5 F. Convertimos las temperaturas en grados Kelvin. K K K 5 37, ,5 K Las temperaturas en grados Kelvin son 309 K y 30,5 K. Hallamos el intervalo de temperaturas en ambas esalas. Fahrenheit: F 5 F F 5 99,5 F 96,8 F 5,7 F Kelvin: K 5 K K 5 30,5 K 309 K 5,5 K Los intervalos de temperatura normales en las esalas Fahrenheit y Kelvin son, respetivamente,,7 F y,5 K. 3. Un ejemplo de dos uerpos que interambien alor puede ser un ubito en una bebida arbónia. a El uerpo que ede el alor es la bebida arbónia, y el uerpo que absorbe el alor es el ubito. b El uerpo que sufre un inremento de temperatura es el ubito, y el uerpo que sufre una disminuión de temperatura es la bebida arbónia. 3. Datos: t 5 4 C 5 90 K R Para omparar las dos temperaturas debemos expresarlas en la misma esala. Vamos a onvertir t a grados Kelvin. t 5 4 C 5 87 K Ahora podemos omparar y observamos que es más elevada. 33. La teoría inétia del alor interpreta el alor omo una A forma de energía transferida entre dos uerpos a diferente temperatura. Cuerpo a aliente Flujo de energía Cuerpo b frío El uerpo a está a mayor temperatura que el uerpo b y, por tanto, la energía inétia media de sus partíulas es mayor.

7 Al poner en ontato ambos uerpos, las partíulas del uerpo a transfieren a las del uerpo b parte de su energía. También se produe ierta transferenia de energía, aunque menor, del uerpo b al uerpo a. El flujo neto de energía entre a y b, o flujo de alor, se va reduiendo hasta que esa al llegar al equilibrio térmio. Efetos del alor 37. Los espejos del lavabo se empañan porque la temperatura del aire alrededor de la duha se eleva y admite una gran antidad de vapor de agua. Cuando el aire entra en ontato on el espejo, que está a una temperatura inferior, el aire se enfría y ya no admite tanto vapor de agua, de manera que este se ondensa en el espejo. Los ambios de estado que tienen lugar son: 34. ue el agua de los mares y los oéanos tiene un efeto regulador de la temperatura de la Tierra signifia que, graias al agua, se reduen los ambios brusos de temperatura. Esto es así porque el agua tiene una elevada apaidad alorífia, es deir, neesita absorber muha energía para elevar su temperatura unos poos grados. Del mismo modo, al enfriarse unos poos grados, desprende también muha energía. Así, la temperatura de los mares y los oéanos no varía muho, lo que provoa que la temperatura de la Tierra tampoo varíe muho. 35. Datos: m 5 50 g 5 0,5 t C 5 93 K t 5 50 C 5 33 K C 5 83 K Calulamos el alor absorbido al pasar de 0 C a 50 C. 5 m?? (t t 0 05, 480 ( 33 K 93 K 3350 Calulamos el alor edido al pasar de 50 C a 0 C. 5 m?? (t 05, 480 ( 33 K 83 K Datos: Metal 5? m g 5 0,7 t 5 95 C K Agua 480 m 5 00 g 5 0, 5 6 C 5 79 K Temperatura de equilibrio, t 5 C 5 95 K Apliamos la euaión del equilibrio térmio y aislamos el alor espeífio del metal. Calor edido por el metal 5 alor absorbido por el agua m ( t t m ( t t m ( t m ( t t 0, K 79 K ( 0,7 (368 K 95 K 30, 9 El alor espeífio del metal es de 30,9??K. Vaporizaión: el agua aliente de la duha pasa a vapor. Condensaión: el vapor de agua pasa al estado líquido en el espejo. 38. a Datos: m 5 3,5 L F 5 333,5 k? El alor neesario para fundir el hielo es: 5 m? L F 5 3,5? ? b Datos: m 5,5 L V 5 57 k? El alor edido por el vapor de agua en la ondensaión es: 5 m? L V 5,5? 57000? En el aso de la fusión del hielo se trata de un alor absorbido y, por tanto, es positivo. En el aso de la ondensaión del vapor de agua se trata de un alor edido y, en onseuenia, es negativo. 39. Datos: l m t C t 5 0 C 5 40 C l 5,0? 0 5 C La separaión mínima que se debe dejar entre raíles oinidirá on la dilataión del raíl para un inremento de la temperatura hasta los 40 C. Si suponemos que los raíles se instalan a una temperatura de 0 C: d 5 D l 5 l 0? l? D t 5 l 0? l? ( t m?,0? 0 5 C? (40 C 0 C 5 5 0,00 m 5, mm Una vez instalados los raíles on esta separaión, en el aso de que se alanzara la mínima temperatura prevista, la distania de separaión se inrementará un valor igual a la ontraión padeida por el aero al enfriarse desde los 0 C: D l 5 l 0? l? D t 5 l 0? l? (t t m?,0? 0 5 C? (0 C 0 C 5 5 0,0033 m 5 3,3 mm Donde el signo menos india ontraión en lugar de dilataión. Por lo tanto, la separaión puede llegar a ser omo máximo: d9 5, mm 3,3 mm 5 5,5 mm 7

8 8 40. Datos: m 5 t 5 60,0 C 5 333,0 K R m ,0 C 5 38,0 K Apliando la euaión del equilibrio térmio: m?? (t t 5 m?? ( m? (t t 5 m? ( m? t m? 5 (m m? t m? t m? t 5 5 m m? 333,0 K 3? 38,0 K ,75 K 5 48,75 C La temperatura de equilibrio de la mezla será de 48,75 C 4. Temperatura. Dos uerpos en ontato se enuentran en equilibrio térmio si tienen la misma tempe - R ratura. 4. Datos: m 5 50 g 5 0, kal al R Convertimos las alorías en julios. 48, k 0000 al 4, 8 k al 000 Hallamos el alor latente de vaporizaión en al/g. L V m L V 0000 al al 00 m 50 g g Hallamos el alor latente de vaporizaión en k/. L k k m 4, 8 V , El alor de vaporizaión del etanol es de 00 al/g o de 836 k/. El alor de vaporizaión del etanol es menor que el del agua, que es de 57 k/. Si frotamos la piel on alohol o olonia, notamos sensaión de fresor porque ambos elementos se evaporan. Pero para evaporarse neesitan ierto alor, que absorben de la piel. Esta pérdida de alor de la piel es la que nos da la sensaión de fresor. 43. Datos: l 5,5? 0 5 C l m R t C t 5 40 C Hallamos el inremento de temperatura. t 5 t C 0 C 5 0 C Calulamos la longitud final. l 5 l 0 ( l? t l 5 30 m? (,5? 0 5 C? 0 C 5 30,009 m La longitud final de la pieza será de 30,009 m. 44. Datos: m h 5 99 g d 5 7,96 g/m 3 A 5 443??K V 5 L 5 dm 3 t 5 0 C 5 93 K Hallamos el volumen que oupa la pieza de hierro. m m 99 g d V 5 m V d g 796, m3 Convertimos el volumen en dm 3. 5 m 3 3 dm 0, 05 dm 000 m3 Hallamos el volumen de agua que hay en el reipiente y su masa. Va V V dm 0, 05 dm 0, 975 dm ma 0, 975 dm3 0, 975 dm El alor aportado por la fuente será absorbido por el agua y el trozo de hierro. ( t t0 + ma a ( t t0 m ( t t0 + ma a ( t t0 ( + ma a ( t t0 ( m + ma a ( t t0 t t0 + t t0 + m + ma m a + ma a 960 t t 93 K + 0, , , , t, º C t 5 95, t K, 5 º C, C La temperatura final del sistema será de, C. 45. Al oer las verduras en agua hirviendo, el agua está A en ebulliión, es deir, su temperatura se mantiene onstante. Así pues, podemos bajar la intensidad de la llama, ya que esta no hará subir la temperatura del agua, que se mantendrá onstante mientras esté en ebulliión. Interambios de trabajo y alor 46. Datos: h 5 5 m t 5 0,5 C 5 0,5 K V 5 0,4 L Calulamos la masa de agua. m a 04, L 04, L Calulamos el alor absorbido por el agua. ma a t 04, , K 836 El alor es igual al trabajo heho por la masa al desender 5 m. 5 W 5 m? g? h 3 3

9 Calulamos la masa del uerpo. m g h 836 m 98, 5 m s La masa del uerpo es de Dado que la temperatura mide el grado de agitaión térmia de las partíulas, a mayor temperatura tendremos mayor movimiento de las partíulas del uerpo y, por lo tanto, mayor energía inétia. Por ello, la energía interna será mayor. Respeto a la masa, uanto mayor sea esta mayor será el número de partíulas del uerpo y, por lo tanto, mayor será la suma de sus energías inétia y potenial. De este modo, la energía interna también será mayor. 48. Datos: W t 5 5 C 5 5 K m 5 0, ??K El gas absorbe ierto alor al aumentar su temperatura. 5 m?? t 5 0,85? 830??K? 5 K ,8 Apliamos el primer prinipio de la termodinámia para hallar la variaión de la energía interna. U 5 W , ,8 5. Una máquina térmia es un dispositivo que transforma R el alor suministrado por un foo alorífio en trabajo meánio. Su rendimiento es el oiente entre el trabajo que produe y el alor que absorbe. Como la máquina nuna puede produir más energía que la que se le suministra, el trabajo produido siempre será menor que el alor suministrado. Así el rendimiento, r, estará omprendido entre 0 y : 0, r, Como es el oiente entre dos energías es adimensional, no tiene unidades. 5. Datos: m 5 h 5 m v f 5 4,0 m/s A La energía disipada en forma de alor debida al rozamiento es igual a la variaión de energía que experimenta el uerpo. D E 5 Em f Em 0 5 E f Ep f (E 0 Ep 0 5 E f Ep 0 D E 5 m? v f m? g? h 5 5??(4 m/s? 9,8 m/s? m 5,8 El signo negativo signifia que ha perdido energía. Transformamos los julios en alorías: al,8 5,8? 5 0,43 al 4,8 Debido al rozamiento se han disipado 0,43 al. 49. Datos: 5 4,75? 0 5 r 5 68 % 5 0,68 Calulamos el trabajo que realiza la máquina. W r W 5 r? 5 0,68? 4,75? ,3? La variaión de la energía interna de un sistema sí puede ser negativa. R Según el primer prinipio de la termodinámia, la variaión de energía interna de un sistema es igual a la suma del alor y el trabajo interambiados on el exterior. U 5 W Esta expresión es válida si onsideramos positivos el alor absorbido y el trabajo realizado sobre el sistema, y negativos el alor y el trabajo que el sistema aporta al exterior. Así pues, U puede ser negativo en dos asos: Si el sistema ede alor al exterior en una antidad superior al trabajo realizado sobre el propio sistema. Ejemplo: un gas ondensa sin interambiar trabajo on el exterior. Si el sistema realiza un trabajo sobre el exterior de magnitud superior al alor absorbido por el propio sistema. Ejemplo: un gas se expande a temperatura onstante. 53. Datos: W A El frigorífio absorbe un alor del foo frío y reibe un trabajo W, mientras que ede un alor al foo aliente. Por lo tanto: 5 W El frigorífio ede un alor igual a 6500 al foo aliente. Para determinar la efiienia, tal y omo hiimos on el rendimiento de la máquina térmia, hallaremos el oiente entre el resultado obtenido por la máquina (en este aso, el alor extraído del foo frío y la energía neesaria para lograrlo (aquí, el trabajo suministrado: 4000 Efiienia ,6 W 500 Como puede observarse, al ontrario que el rendimiento de una máquina térmia, en el aso de los frigorífios la efiienia puede ser mayor que. Conretamente, la efiienia de este frigorífio es de 5, El foo aliente de la máquina es el mehero. A El foo frío es el tapón de orho. El trabajo que realiza es el de mover la espiral. El trabajo es la diferenia entre el alor absorbido del foo aliente (mehero y el edido al foo frío (tapón de orho. W 5 9

10 Conétate 55. Independientemente de ómo esté redatado el texto por el alumno, los oneptos básios que debe ontener son los que siguen: Las formas de propagarse el alor son por onduión, por radiaión y por onveión. Por onduión: es la forma fundamental en la que se transmite el alor en uerpos sólidos. Cuando se alienta un uerpo, las moléulas que reiben diretamente el alor aumentan su vibraión y hoan on las que las rodean; estas, a su vez, haen lo mismo on sus veinas hasta que todas las moléulas del uerpo se agitan. Por esta razón, si el extremo de una varilla metália se alienta on una llama, transurre ierto tiempo para que el alor llegue al otro extremo. Por radiaión: es una forma de transferenia de alor que no preisa de ontato entre la fuente de alor y el reeptor. No se neesita ningún medio material para que se transmita; los interambios de energía se haen por medio de ondas eletromagnétias. Por onveión: es una forma de transmisión de energía por medio de un fluido (aire o agua que transporta el alor entre zonas on diferentes temperaturas. La onveión tiene lugar uando áreas de fluido aliente (de menor densidad asienden haia las regiones de fluido frío. Cuando ourre esto, el fluido frío (de mayor densidad desiende y oupa el lugar del fluido aliente que asendió. Este ilo da lugar a una ontinua irulaión (orrientes onvetivas del alor haia las regiones frías. 56. Respuesta abierta. 57. Respuesta abierta. Trabajo de las ompetenias básias (págs. 6 y 7 El viaje a Londres. Lo que ha ourrido en el afé que está más frío, es que ha tenido lugar una transferenia de energía. Hemos puesto en ontato un uerpo aliente (afé on un uerpo frío (uharilla. El afé aliente ede energía a la uharilla, que está a temperatura ambiente, hasta que la temperatura de ambos se iguala. Esta energía transferida es el alor. Al eder alor, disminuye la temperatura del afé.. a Datos: F 5 38 F La equivalenia entre temperatura Celsius y temperatura Fahrenheit es: C F C Despejando C, obtenemos que C 5 3,3 C. La equivalenia entre grados Celsius y grados Kelvin es: K 5 C 73 K 5 3, ,3 K La temperatura 38 F equivale a 3,3 C y a 76,3 K. b María tiene razón: en Londres, a la temperatura que india el termómetro, hae frío Los tres tipos de nutrientes se ordenan de mayor a menor aporte energétio de esta manera: lípidos, hidratos de arbono y proteínas. Un gramo de lípidos (grasas proporiona aproximadamente 9 alorías. Un gramo de hidratos de arbono, igual que un gramo de proteínas, aporta unas 4 alorías. 59. Estos dos motores presentan diferenias en los tres primeros tiempos: En el primer tiempo (aspiraión, en el motor de explosión de uatro tiempos entra una mezla de aire y gasolina en la ámara de ombustión, mientras que en el motor diésel solo entra aire. En el segundo tiempo (ompresión, en el motor de explosión se omprime la mezla de aire y gasolina y sube la temperatura; mientras que, en el motor diésel el aire se omprime muho más y la temperatura alanzada es más alta. En el terer tiempo (arrera de trabajo, en el motor de explosión de uatro tiempos, la hispa de la bujía provoa la explosión de la mezla ombustible, la ual ausa un aumento de presión y un trabajo sobre el pistón. En el motor diésel, en este tiempo, se inyeta el gasóleo pulverizado y a alta presión en la ombustión, donde se eniende inmediatamente a ausa de la temperatura, sin neesidad de hispa de la bujía, y su ombustión provoa un trabajo sobre el pistón. 3. La sal omún es la sustania más eonómia y efetiva a la hora de luhar ontra las aumulaiones de nieve y las plaas de hielo en las arreteras y las iudades. Sin embargo, su uso masivo aarrea onseuenias negativas en los ámbitos eológios, eonómios y sanitarios. El agua pura hierve a 00 C y se ongela a 0 C. La sal baja el punto de ongelaión del agua. El fenómeno que tiene lugar es un desenso riosópio. 4. La funión de la junta es evitar el movimiento de las baldosas por ambios brusos de temperatura. Las juntas evitan que ualquier movimiento o tensión se transmita a las baldosas. 5. a Datos: Longitud iniial, l 0 5 m El inremento de temperatura es: D t C 8 C 5 83 C El oefiiente de dilataión lineal del hierro es: l 5,? 0 5 C Calulamos la longitud final: l 5 l 0 ( l? D t 5 5 m (,? 0 5 C? 83 C 5,0 m

11 b Temperatura Punto de fusión 808 K Sólido Fusión Líquido Calor En las máquinas de ombustión externa, la ombustión tiene lugar fuera de la máquina; en las de ombustión interna, la ombustión tiene lugar dentro de la propia máquina. d La máquina de vapor ha olaborado en el bienestar humano, prinipalmente desenadenando la Primera Revoluión Industrial que, durante los siglos xviii y xix, aeleró el desarrollo eonómio en Europa y Estados Unidos, graias a su apliaión en el transporte (ferroarril, baros y en la industria. 6. a La antidad de alor absorbido o edido por un uerpo depende de tres fatores: la naturaleza de la sustania que forma el uerpo, su masa y la variaión de la temperatura. La antidad de alor que se debe suministrar al agua líquida aumenta al aumentar la masa. Por lo tanto, para alentar de L, es neesario suministrar más alor que para alentar L. De ahí que tarde más en alentarse L de agua que L de agua. Conluyendo, Paul tiene razón. b El alor espeífio de una sustania es el alor que debe reibir la unidad de masa para aumentar su temperatura un grado Kelvin. En el aso del agua líquida, se debe suministrar al agua líquida 4 80 por ada de masa para aumentar su temperatura en K. Las gotas de agua que se observan en la tapa de la olla son gotas de agua en estado líquido; el ambio de estado que se ha produido se denomina ondensaión, que es el paso del estado gaseoso al estado líquido. d La equivalenia entre temperatura Celsius y temperatura Fahrenheit es: C F C Despejando C, obtenemos que C 5 0 C. En Kelvin, 0 C son 93 K y 00 C son 373 K, ya que K 5 C 73. Para alular el alor neesario para llevar L (5 de agua de 93 K a 373 K: 5 m?? D t 5 5? 4 80?? K?(373 K 93 K a La máquina de vapor es una máquina térmia, ya que transforma alor en trabajo. Se genera vapor de agua en una aldera que empuja un pistón. El movimiento del pistón se transforma en un movimiento de rotaión que puede aionar, por ejemplo, las ruedas de una loomotora. b Es de ombustión externa. e Respuesta abierta. Evaluaión (pág. 9. Datos: C 5 0 C Convertimos la temperatura en grados Kelvin. K 5 C K Convertimos la temperatura en grados Fahrenheit. F C F C F ºF 00 La temperatura es de 383 K o 30 F.. Los termómetros líquidos son instrumentos que se utilizan para medir la temperatura de los uerpos y se basan en el efeto de la dilataión que el alor produe sobre el líquido ontenido en él. Para medir la temperatura de un uerpo, se pone en ontato on el termómetro, y se produe una transferenia de alor, de modo que la temperatura del uerpo y del líquido se igualan. El líquido se dilata o se ontrae, asendiendo o desendiendo por el ilindro y reflejando en la esala graduada la temperatura del uerpo on el ual ha alanzado el equilibrio térmio. 3. Datos: m 5,5 t 0 5 C 5 84 K Calulamos su temperatura final. m ( t t t t K + m 5, 385 k g K 5 98 K 5 5 C Su temperatura final es de 5 C. 4. Datos: Bismuto Hielo m b 5 0, m h 5 0,54 b 5 3?? K h 5 090?? K t 5 C 5 75 K 5 5 C 5 68 K 98 K 5 º

12 Apliamos la euaión del equilibrio térmio y despejamos la temperatura final. m b? b? (t t 5 m h? h? ( m b? b? t m b? b? t 5 m h? h? m h? h? m b? b? t m h? h? 5 m h? h? t m b? b? t mb b t h h t t mb b h t t m b b t + mh h t t mb b h h m b h h b b + mh h 0, K 0, 3 K , 3 K 68 K t 75 K + 054, K t t 0, , , 3 K + 054, 090 K K K t 68 º t t K 5 º º C La temperatura a la que llegará el bismuto es de 5 C. 5. El ambio de estado que onsiste en el paso de gas a líquido es la ondensaión. 6. Datos: m 5 5 g 5 0,5 L v ? Apliamos la euaión del alor latente de vaporizaión. 5 m? L V 5 0,5? ? Debemos suministrar de energía en forma de alor. 7. Datos: l m t C t 5 00 C Inremento de temperatura: t 5 t C 0 C 5 90 C Coefiiente de dilataión lineal del obre: λ 7, 0 5 ºC Calulamos la longitud final: l 5 l 0? ( l? t l m? (,7? 0 5 C? 90 C m Su longitud, a 00 C, será de 876 m. 8. La expresión matemátia del primer prinipio es: U 5 W 9. Datos: El trabajo que realiza la máquina es la diferenia entre el alor absorbido y el edido: W Calulamos el rendimiento de la máquina térmia. W 0800 r , El rendimiento de la máquina es del 7 %.