Problemas de Física. 1er. Curso de Biología CALOR Y TERMODINÁMICA

1.- a) Hallar la cantidad de calor, en J y Kcalorías, necesaria para elevar desde 22 hasta 85ºC la Temperatura de 650g de Agua. b) ¿Y para elevarla desde 2 a 65ºC?. c) ¿Se haría el mismo proceso de cálculo para elevarla desde -22 hasta 41ºC? (lf=6.01KJ/mol) Sol: a) 1.7x105J 2.- Cincuenta g de etanol a una temperatura de 30ºC se colocan en un Calorímetro que contiene 2.50Kg de agua a una temperatura inicial de 15.00ºC. La temperatura de la mezcla alcanza un valor final de 15.17ºC. ¿Cuál es el calor específico del etanol? Sol: 0.5 Cal/g/º 3.- Un mol de hielo a 0ºC se pone en un Calorímetro que contiene 1.75Kg de agua a una temperatura inicial de 15.3ºC. Cuando justamente se ha fundido todo el hielo, el agua tiene una temperatura de 14.5ºC. ¿Cuál es el Calor de Fusión del hielo? Sol: 80 Cal/g 4.- Se necesitan 880J para elevar la temperatura de 350g de plomo desde 0 hasta 20ºC. ¿Cuál es el calor específico del plomo? Sol: 126J/Kg/º 5.- Un clavo de hierro de 20g está siendo golpeado por un martillo de 0.45Kg (1lb). La velocidad del martillo cuando choca con el clavo es de 9m/s. Si la mitad de la energía cinética del martillo se convierte en energía térmica del clavo, ¿cuántas veces debe golpearse para elevar su temperatura 25ºC? (cp=481J/KgºK para el Hierro) Sol: 27 veces 6.- Uno de los extremos de una barra de aluminio se mantiene a 220ºC mientras que el otro se mantiene a 0ºC. La barra tiene 2m de largo y 1cm de diámetro. ¿Cuál es la velocidad de conducción del calor a lo largo de la barra? (K=240W/mºK para el Aluminio) Sol: 2.1W 7.- ¿Cuál es la velocidad del flujo de calor a través de un vidrio de ventana de 0.5cm de espesor cuando la superficie exterior está a -5ºC y la interior a 4ºC?. Las dimensiones de la ventana son 0.7x1.5m2. (K=0.8W/mºK para el vidrio) Sol: 1.5x103W 8.- ¿Qué espesor de tejido graso corporal es equivalente a 3mm de aire? (K=0.2 W/mºK para el tejido graso; K=0.025 W/mºK para el aire) Sol: 24mm 9.- Durante el ejercicio físico la sangre a 37.0ºC fluye a la piel a la velocidad de 100g/s. Fijándonos sólo en la cesión de calor a la capa anterior a la piel (epidermis), y supuesto que se cede energía por parte de la sangre a un ritmo de 500W, ¿cuál es la temperatura de la sangre cuando vuelve al interior del cuerpo? Sol: 35.8ºC 10.- Una persona no habituada al clima tropical puede producir un máximo de 1.5Kg de sudor por hora. ¿Cuál es la velocidad máxima de pérdida de calor por evaporación (a 37ºC) de esa persona? (Calor de vaporización del agua a 37ºC: 241J/g) Sol: 100W 11.- ¿Qué cantidad de calor desprenderá por convección una persona desnuda de superficie 1.5m2 si está en contacto con aire a 0ºC y la piel está a 30ºC? Se ha de utilizar la ley de enfriamiento de Newton que dice que el ritmo, R, de pérdida de calor por convección es proporcional al área, A, y a la diferencia de temperatura, ∆T.

R = hA∆T

Donde h es el coeficiente de transferencia por convección que en nuestro caso tiene un valor de aproximadamente 1.7x10-3 Kcal.s-1m-2K-1 (aunque h depende de la velocidad del aire circundante) Sol: 320W 12.- El ritmo metabólico de un alumno en un examen es de aproximadamente 180Kcal/hora. ¿Cuál será el aumento de temperatura del aula de examen, con 50 alumnos, supuesto que estos liberan un 50% de su energía metabólica en forma de calor? El aula pierde calor por una superficie acristalada de 10m2 con vidrio de 1cm de espesor y conductividad térmica de 0.2cal/msºK. Sol: 6.2ºC 13.- Para mantener constante una temperatura de 30ºC en una colonia de bacterias, debemos suministrarle 30W de potencia calefactora. La temperatura ambiente es de 15ºC. Las bacterias están en un recipiente de vidrio, cuya conductividad térmica es de 0.2cal/msºK, de área 20cm2 y cuyas paredes tienen un espesor de 0.5mm. a) ¿Cuál es el ritmo metabólico de la colonia de bacterias?. En la fase de máxima actividad reproductora, el ritmo metabólico puede llegar a duplicarse. b) ¿Qué temperatura alcanzará la colonia si se mantienen las condiciones de temperatura externa y calefacción? Sol: a) 20.2W; b) 36ºC 14.- Un sistema termodinámico describe el ciclo que se muestra en la Figura. Calcular el trabajo en cada proceso del ciclo así como el trabajo total.

Sol: AB: 40J; BC:0J; CA: -60J; Total en el Ciclo: -20J 15. Indicar cuál de las siguientes afirmaciones es FALSA:

a) No puede hablarse de qué cantidad de Calor está contenida en un cuerpo b) El primer principio de la Termodinámica establece un balance de energía c) Espontáneamente no puede pasar calor de un cuerpo frío a otro caliente d) La entropía es una medida de la energía interna de un sistema e) Un gas que se expande un ∆V a presión P realiza un trabajo W=P∆V

V(m3)

P(Pa)

40

20

1 3

C

BA