UNIVERSIDAD NACIONAL DE FRONTERA CEPREUNF CICLO REGULAR

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1 SEMANA 09 CURSO: FISICA TEMA: TEMPERATURA DILATACIÓN - CALOR TEMPERATURA Es una magnitud que mide el grado de agitación molecular de un cuerpo. Termómetro Es aquel instrumento que sirve para indicar la temperatura de un cuerpo. Este aparato está basado en el fenómeno de la dilatación que produce el calor en la sustancia encerrada en un tubo de vidrio (mercurio, alcohol, gas, etc.) ESCALAS TERMOMÉTRICAS Son las unidades que se utilizan para expresar una lectura o una variación. Existen dos tipos de escalas: Escalas relativas. Aquellas que utilizan algún punto relativo. Escalas absolutas. Aquellas que registran sólo valores positivos. Relativas Absolutas Comparación de escalas Lecturas termométricas escala A a b c Celsius (ºC) Kelvin (K) escala B m n p Farenheit (ºF) Rankine (R) a b m n b c n p b c n p a c m p CONVERSIÓN ENTRE ESCALAS TERMOMÉTRICAS C F 32 K 273 R alambres; o quizás la variación de una superficie, (caso de una pizarra). DILATACIÓN LINEAL Es aquella dilatación que aparece en cuerpos en que se hace notoria la longitud, esto no significa que sus demás dimensiones no se dilatan, si se dilatan!; pero en mínima escala. Ilustración: L L L f Lf: Longitud final Lo: longitud inicial 0 L L 0 (1 T ) Ó T = Tf To: variación de temperatura : Coeficiente de dilatación lineal ( f T f T 0 L T º C DILATACIÓN SUPERFICIAL Es el aumento superficial que experimenta un cuerpo al ser calentado. Ilustración: T0 S f Sf: Superficie final So: Superficie inicial S0 T T f T 0 f 1 S ) f L 0 S 0 (1 T ) Ó S TS0 T = Tf To: variación de temperatura 1 2 : Coeficiente de dilatación superficial ( º C ) DILATACIÓN VOLUMÉTRICA El volumen de un cuerpo aumenta cuando éste se calienta. Este aumento de volumen recibe el nombre de dilatación volumétrica o cúbica. Ilustración: T 0 T f V 0 V f T f T 0 V f V 0 (1 T ) Ó V TV0 DILATACIÓN Es aquel fenómeno físico que consiste en el cambio de dimensiones que experimenta un cuerpo cuando aumenta o disminuye la temperatura. Debes tener en cuenta que todo cuerpo al dilatarse lo hace en sus tres dimensiones; sin embargo, a veces puede interesarnos la variación de su longitud solamente, como el caso de los V f : Volumen final V 0 : Volumen inicial T = Tf To: variación de temperatura : Coeficiente de dilatación volumétrica ( C -1 ) Nota: Los coeficientes de dilatación dependen del tipo de material, además: 2 ; 3 DOCENTE: LIC. ROSA MELVA VERA RUEDA. 1

2 CALORIMETRÍA Es una parte de la física que se encarga de realizar las mediciones referentes al calor. CALOR (Q) Es una magnitud escalar que mide el paso de energía (energía en tránsito) de un cuerpo a otro, exclusivamente por diferencia de temperatura. Unidad de Calor en el S.I.: Joule (J) Unidades Tradicionales del Calor: Caloría (cal).- Se define así a la cantidad de calor que se le debe suministrar a un gramo de agua para que eleve su temperatura en 1 C (14,5 C a 15,5 C). Kilocaloría (kcal).- Se define así a la cantidad de calor que se le debe suministrar a 1 kg de agua para que su temperatura aumente en 1 C (14,5 C a 15,5 C). British Thermal Unit (B.T.U.).- Se define así a la cantidad de calor que se le debe adicionar a una libra de agua para que su temperatura aumente en 1 F (63 F a 64 F). Equivalencias: 1 kcal = cal 1 B.T.U. = 252 cal CAPACIDAD TÉRMICA O CALORÍFICA (C) Es una característica de cada cuerpo, es decir que diferentes trozos de un mismo material pueden tener diferentes C. La capacidad térmica se mide por la cantidad de calor comunicado al cuerpo para aumentar su temperatura en un grado, (por la escala elegida de temperatura). Q C T CALOR ESPECÍFICO (Ce) Es una magnitud escalar que indica la cantidad de calor que se requiere para aumentar en 1ºC la temperatura de 1 g de una sustancia sin que cambie su estado físico. El calor específico, es una característica de cada material. Qganado Q perdido Cuando se alcanza el equilibrio térmico CALORÍMETRO Es aquel recipiente térmicamente aislado que se utiliza para determinar el calor específico de un sólido o líquido cualquiera. Termómetro Agua Cubierta aislante muestra CAMBIO DE ESTADO DE UNA SUSTANCIA Se llama cambio de estado, al fenómeno que consiste en el paso de un estado cualquiera a otro, por adición o sustracción de calor. Todo cambio de estado se realiza a una temperatura y presión constante y depende de cada sustancia. En el aspecto macroscópico podemos distinguir tres estados de la materia: El sólido, el líquido y el gaseoso. Recientemente se estudió un cuarto estado denominado Plasma. El plasma es un gas cuyos constituyentes están cargados eléctricamente o ionizados. CALOR LATENTE (L) Es la cantidad de calor que se le debe adicionar o quitar a la unidad de masa de una sustancia, para que cambie de estado. Existen dos tipos de calor latente: a) Calor Latente de Fusión (Lf) Es la cantidad de calor que se le debe suministrar o quitar a la unidad de masa de una sustancia, que está en condiciones de cambiar de estado, para que pase del estado sólido al líquido o viceversa. Así el hielo que está a O C y a 1 atm se necesita adicionarle 80 calorías, para derretir un gramo. Para una masa m: Q m. L f En el caso de agua: Lf = 80 cal/g C e Q m. T Pero la fórmula que más se empleará es: Q Ce. m. T Q = calor entregado o calor perdido Ce = calor específico del cuerpo T = Tf To: variación de temperatura m = masa del cuerpo Equilibrio térmico Si tomamos dos cuerpos a diferentes temperaturas y los colocamos en un ambiente aislado, se observa que uno de ellos se calienta, mientras que el otro se enfría, hasta que al final los dos cuerpos quedan a la misma temperatura, llamada temperatura de equilibrio. Hielo a 0º C DOCENTE: LIC. ROSA MELVA VERA RUEDA Cal Fusión Solidificación -80 Cal agua a 0º C b) Calor latente de Vaporización (Lv) Es la cantidad de calor que se le debe adicionar o quitar a la unidad de masa de una sustancia, que está en condiciones de cambiar de estado, para que pase del estado líquido al estado gaseoso o viceversa. Para una masa m: Q m. L En el caso de agua: Lv = 540 cal/g v

3 agua a 100º C +540 Cal vaporización Licuación (condensación) -540 Cal Vapor de agua a 100º C Debes darte cuenta que ya conocemos dos fórmulas para calcular el calor: Q Ce. m. T Se aplica cuando la temperatura varía. Q m. L Se aplica cuando hay un cambio de estado; recuerda que L es el calor latente, puede ser de fusión o de vaporización, según sea el caso. a) 200ºC b) 250ºC c) 300ºC d) 350ºC e) 400ºC 20cm A 8mm 30cm 7. Una varilla debe expandirse hasta llegar al punto A sin ejercer presión. Si la temperatura inicial es 20 ºC. Determinar la temperatura final de la varilla para dicho 1 objetivo º C 2 m 0.4 mm B CUESTIONARIO 1. Un termómetro de mercurio tiene una escala que marca 0 ºX cuando la temperatura es de 20 ºC; y marca 240 ºX para 100 ºC. Cuántos grados X corresponden a la temperatura humana de 37ºC? a) 37 ºX b) 57 ºX c) 114 ºX d) 74 ºX e) 94 ºX 2. Para dos escalas relativas se observa que 20º centígrados corresponde a 25ºB y 5º centígrados corresponde a -5ºB. A cuántos grados B corresponde la temperatura del cero absoluto? a) 21ºB b) -241ºB c)-111ºb d) 31ºB e) -561ºB 3. Se ha constituido una nueva escala termométrica denominada escala A. si el agua se congela a 20º A y hierve a 70º A. a cuántos Celsius equivalen 120º A? a) 100ºC b) 200ºC c) 500ºC d) 300ºC e) 400ºC 4. A qué temperatura ambiente, lo que marca el termómetro Fahrenheit es un número mayor en 50 lo que marca un termómetro Celsius? a) 25,5 b) 23,5 c) 26.5 d) 24,5 e) 22,5 5. Un alambre de Zinc de 60 cm de longitud es calentado hasta que su temperatura aumenta en 50 C. Determinar el aumento de longitud (en m) que experimenta. Zn α = C a) 1,02 10 c) 1,2 10 b) 1,08 10 d) 1,8 10 e) 1, Determine en cuánto debe incrementarse la temperatura del sistema para que las varillas se junten A B α + 3α = 4 10 C a) 30 ºC b) 40 ºC c)50ºc d) 60 ºC e) 70 ºC 8. La longitud de un cable de latón es de 10m, y aumenta en 1cm cuando su temperatura pasa de 20 ºC a 70 ºC. Cuál es el coeficiente de dilatación lineal del latón? a) ºC -1 b) ºC -1 c) ºC -1 d) ºC -1 e) ºC Una placa cuadrada de vidrio de 10m de lado es calentada desde 20 C hasta 220 C. En cuántos -6-1 dilatado su superficie? (α = 9x10 c ). 2 m a) 0,34 b) 0,35 c) 0,36 d) 0,37 e) 0,38 se habrá 10. Se desea tapar un agujero circular de 100 cm 2 en una plancha metálica, con un disco circular de 103 cm 2. En cuánto debemos aumentar la temperatura de la plancha? Considere que el coeficiente de dilatación lineal de la plancha metálica sea 5 10 C a) 100ºC b) 200ºC c) 250ºC d) 300ºC e) 500ºC 11. Un recipiente de vidrio contiene 2000 cm 3 de mercurio lleno hasta el borde, si se aumenta la temperatura en 100 C y el recipiente alcanza un volumen de 2020 cm 3. Cuánto mercurio 3 (en cm ) se derrama? Hg 1,8 10 C 4 1 a) 4 b) 6 c) 8 d) 16 e) Un sólido uniforme se divide en dos partes de masas m1 y m2. Si ambas partes reciben la misma cantidad de calor, la masa m1 eleva su temperatura a un grado, mientras que la masa m2 eleva su temperatura en tres grados. La razón de las masas, m1/m2, es: a) 2 b) 3 c) 4 d) 5 e) 1 DOCENTE: LIC. ROSA MELVA VERA RUEDA. 3

4 13. En un recipiente de capacidad calorífica despreciable se tienen 40 g de agua a 60º C. Si se vierte 60 g de agua a 40º C, hallar la temperatura de equilibrio. a) 44 ºC b) 48 ºC c) 50 ºC d) 56 ºC e) 58 ºC 14. Hallar la temperatura de equilibrio de la mezcla de 150gr de hielo a 10 C y 300g de agua a 50 C. a) 3 C b) 5 C c) 7 C d) 4 C e) 6 C 15. Encuéntrese la temperatura de equilibrio cuando mezclamos 5g de hielo a 0ºC con 25g de agua hirviendo. a) 40ºC b) 50ºC c) 60ºC d) 70ºC e) 80ºC 16. Si le suministramos 530 cal de calor a 10g de hielo a 10ºC, cuál será la composición final del sistema. a) 2 g de hielo y 8 g de agua. b) 1 g de hielo y 9 g de agua. c) 10 g de agua. d) 5 g de hielo y 5 g de agua. e) 4 g de hielo y 6 g de agua. 17. Cuantas calorías se necesitan dar a 10gr de hielo a 0 C para convertirlo íntegramente en vapor a 100 C? a) 7200cal b) 7300cal c) 7000cal d) 7500cal e) 1400cal 18. Se tiene 3g de hielo a 0 C Qué cantidad de calor se le debe suministrar para fundirlo exactamente? a) 400cal b) 600cal c) 300cal d) 500cal e) 240cal 19. Una sustancia de 100 gr absorbe 400 cal, cuál será su variación de temperatura que experimenta si su calor específico es 0,08 cal/g C? a) 20ºC b) 25ºC c) 40ºC d) 50ºC e) 80ºC 20. Calcule el calor necesario para derretir 10g de hielo cuya temperatura es -20ºC. C cal e(hielo) = 0.5 gr C a) 700cal b) 750cal c) 800cal d) 850cal e) 900cal EVALUACIÓN 21. En una rueda de madera de 100 cm de diámetro es necesario colocar un neumático de hierro cuyo diámetro es 4,8 mm menor que el de la rueda. En cuántos grados es necesario aumentar la temperatura del neumático? 6 1 hierro º C a) 201ºC b) 402ºC c) 603ºC d) 152ºC e) 542ºC 22. En un recipiente de vidrio cuya altura es de 10 cm hay mercurio a 20 C, al nivel de mercurio le faltaba una altura de 1mm para llegar a bordear el recipiente. En cuántos grados centígrados se debe calentar el mercurio; para llegar a bordear; sin que se rebase del recipiente? Hg vidrio = 1,82 10 C. Despreciar la dilatación del a) 75,5 C b) 70,5 C c) 55,5 C d) 25 C e) 55,95 C 23. Un matraz de vidrio (α = 92 μ c ) con un volumen de V 1 litro se llena totalmente de mercurio Hg -1 (α =182 μ c ) a 20 C. Cuál es el volumen de 3 (en cm ) mercurio que se derramara cuando la temperatura sube hasta 50 C? a) 15,55 b) 8,1 c) 2,7 d) 15,9 e) 14, Se dan dos recipientes uno a 10 C y el otro a 80 C. Cuánta agua se debe tomar de cada recipiente para tener 100 gr de agua a 38 C.? a) 60gr y 40gr b) 30gr y 60gr c) 50gr y 80gr d) 20gr y 50gr e) 50gr y 60gr. 25. Calcular la masa de hielo a 0ºC y la masa de vapor a 100ºC que deben mezclarse para obtener 27g de agua a 0ºC. a) 2g y 16g b) 15 y 10g c) 16 y 11g d) 24 y 3g e) 7 y 20g 26. A 2 g de vapor de agua a 100 C se le extrae 1080 cal. Determine su temperatura final. a) 100 C b) 80 C c) 90 C d) 20 C e) 75ºC 27. La longitud de un cable de latón es de 10 m, y aumenta en 1 cm cuando su temperatura pasa de 20 C a 70 C. Cuál es el coeficiente de dilatación lineal del latón? -6-1 a) 2 10 C -5-1 c) 7 10 C -6-1 e) 4 10 C b) 2 10 C -5-1 d) C 28. En un calorímetro cuyo equivalente de agua es de 50 g se tienen 200g de H2O a la temperatura de 20ºC. Si se le agregan 150g de hielo a la temperatura de 0ºC, determinar el estado final del sistema. a) Todo se convierte en liquido (TE = 10ºC) b) Todo se convierte en liquido (TE = 0ºC) c) Hay sólido 87,5g y liquido 262,5g d) Hay sólido 40g y liquido 310g e) N.A DOCENTE: LIC. ROSA MELVA VERA RUEDA. 4

5 29. Qué masa de hielo fundente (en kg) se necesita para condensar y llevar a 0ºC, 25 kg de vapor de agua que están a 100ºC? a) 100 b) 150 c) 200 d) 175 e) En un recipiente cuya capacidad calorífica es 10 cal/ºc se tiene 20g de agua a 18ºC. Qué cantidad de calor se requiere para lograr hervir el agua? a) 1820 cal b) 1640 cal c) 2460 cal d) 860 cal e) 800 cal DOCENTE: LIC. ROSA MELVA VERA RUEDA. 5

6 DOCENTE: LIC. ROSA MELVA VERA RUEDA. 6