calor final 08

Departamento de Física 1

En las colmenas se debe mantener la temperatura en alrededor de 35ºC. Cuando la temperatura del panal supera ese valor las abejas dejan de acercar néctar y depositan gotas de agua en las celdas. Allí otras abejas las evaporan batiendo sus alas. Este proceso de evaporación enfría al panal restableciendo el estado térmico óptimo.

James Prescott Joule. (1818 – 1889)Este inglés, hijo de un cervecero, fue un científico aficionado muy reconocido por su habilidad como experimentador.Fueron sus precisos trabajos los que aportaron la evidencia más convincente de la equivalencia entre la energía mecánica y el calor

Departamento de FísicaCalor y Fenómenos TérmicosGuía de problemas

La siguientes referencias bibliográficas corresponden al libro Física Conceptual de Paul Hewitt. (LR) significa libro rojo, (NE) significa novena edición (libro nuevo)

Sección 1: La energía … Capítulo 8 (LR)……Capítulo 7 (NE)

Sección 2: Calorimetría: … Capítulo 21 (LR)… Capítulo 15 (NE)

Sección 3: Transferencia de Energía Térmica y Cambios de Estado: … Capítulos 22 y 23 (LR)……Capítulos 16 y 17 (NE)

Sección 4: Temperatura, Escalas Termométricas y Dilatación: Capítulo 21 (LR)…… Capítulo 15 (NE)


DEPARTAMENTO DE FISICA

Guía de Ejercicios

El oso polarSu pelaje y su gruesa capa de grasa le permiten soportar temperaturas de hasta 40 grados bajo cero

La luz se va perdiendo en calor;El universo, minuto por minuto, se hace

invisible.Se hace más liviano también.

Alguna vez, ya no será más que calor:Calor equilibrado, inmóvil, igual.

Entonces habrá muerto.

Jorge Luís Borges (Historia de la Eternidad)


Cubos de energía (tomado del libro “El panorama inesperado” de James S. Trefil)

No hay nada tan agradable en una noche de invierno como un fuego encendido en la chimenea. El calor de las llamas parece poseer un encanto especial que es incapaz de ofrecer la calefacción central, aunque un físico pueda decirnos que los dos tipos de calor son idénticos. Si nos ponemos a pensar un momento, recordaremos que el calor generado al quemar madera o carbón puede aprovecharse con máquinas y utilizarse para levantar pesos o para desplazar un vehículo. Sin embargo, cuando tomamos con la mano un trozo de madera o de carbón no se mueve ni da calor al tacto. ¿Cómo puede una cosa tan inerte producir todos estos efectos?La cuestión no es nada sencilla. Algunos de los mejores cerebros en la historia de la ciencia se dieron un tropezón al tratar el tema de la relación entre calor y movi-miento, y la cuestión no quedó resuelta de modo definitivo hasta fines del siglo XIX. La dificultad reside en que no hay una conexión obvia entre una cantidad de combustible, una llama y el trabajo que puede efectuarse utilizando esta llama. Sabemos que estos elementos están relacionados entre sí, y en la vida moderna utilizamos diversos combustibles para producir calor y energía, aunque quizá personalmente no comprendamos los principios físicos subyacentes. Cuando, por ejemplo, apretamos un interruptor para encender una luz, utilizamos el producto final de un proceso en el cual se calienta agua para producir vapor, el vapor se utiliza para producir electricidad y la electricidad se transporta a nuestro hogar. Por lo tanto, los sistemas utilizados para transformar el calor en trabajo útil tienen una importancia práctica inmensa.El problema básico con que tropezaron los científicos cuando intentaron poner algo de orden en sus ideas sobre el calor es el que ya hemos indicado: la falta de una co-nexión evidente entre el calor y el movimiento a gran escala que causa. A consecuencia de esto se pensó que el calor tenía que estar relacionado con algún tipo de fluido que entraba y salía de los cuerpos cuando éstos experimentaban cambios de temperatura. El fluido recibió el nombre de calórico. Efectos tan corrientes como el calentamiento de dos palitos al frotarlos entre sí se explicaban en función del «fluido calórico» que se desprendía de sus puntos normales de descanso en el sólido y se manifestaba como calor. Según esta teoría, la cantidad de polvo producida frotando y la cantidad de calor generada tenían que ser aproximadamente proporcionales. Cuanto más polvo, más fluido calórico tenía que haber quedado suelto, y esto a su vez implicaba más calor.La primera prueba experimental contra la teoría calórica del calor la ofreció en 1798 Benjamín Thompson (más tarde el conde Rumford). Thompson, nacido en Massachusetts, marchó de América después de la Revolución, principalmente porque había apoyado de modo activo la causa tory. Se convirtió en un aventurero militar, en un galanteador y en un pícaro errante por Europa. Consiguió su título del Elector de Baviera por sus servicios en el ejército, y su contacto con la teoría calórica se produjo mientras supervisaba la fabricación de cañones. En aquella épo-ca era muy corriente barrenar los cañones para darles el calibre exigido militarmente. Esto se hacía girando el cañón para que su parte interior o calibre entrara en contacto con un barreno metálico afilado. A medida que el cañón giraba, el barreno cortaba trozos de bronce y el cañón se calentaba. Rumford, contrariamente a lo que podía esperarse de la teoría calórica, creyó observar que cuantos menos recortes o fragmentos de bronce había, más se calentaban los cañones. Dedujo que esto se debía al filo del barreno: cuanto más afilado estaba, más recortes había y menos calor se generaba. En cambio un barreno desafilado calentaba el cañón sin apenas hacer trabajo de corte. Además parecía que, con independencia de la mayor o menor cantidad de recortes producidos, podía generarse continuamente calor con tal de que hubiera energía para girar el cañón. Rumford se tomó incluso la molestia de sumergir el aparato entero de tornear cañones en un recipiente con agua y demostrar que podía hacer hervir el agua.


En otras palabras, demostró de modo conclusivo que el movimiento mecánico podía producir calor, del mismo modo que la máquina de vapor había demostrado que el calor podía producir un movimiento mecánico. Este hecho debería haber asegurado inmediatamente una conexión lógica entre el calor y la energía, pero esta relación no se aceptó de modo definitivo hasta casi medio siglo después. Mientras tanto la obra de Rumford recibió la benigna desatención que los científicos reservan para los resultados incómodos pero irrefutables.El hombre que demostró finalmente la relación existente entre el calor y el movimiento mecánico fue un científico amateur, independiente y acomodado, de Manchester. Inglaterra, llamado James Prescott Joule. En mayo de 1847 publicó una nota en el Manchester Courier anunciando que daría una conferencia en la sala de lecturas de la iglesia de Santa Ana titulada «Materia, fuego vivo y calor». Es probable que aquél fuera el escenario más insólito utilizado nunca para anunciar un gran descubrimiento científico. Joule describió una serie de laboriosos estudios experimentales con los cuales demostraba que existe una equivalencia muy precisa entre el calor y diferentes tipos de energía. La figura 1 muestra uno de estos experimentos. Joule levantó un gran peso y lo dejó caer a continuación de modo que hiciera girar una rueda de paletas sumergida en un depósito de agua. Midió la temperatura del agua antes y después de la caída y descubrió que la temperatura había aumentado. Puesto que la temperatura aumentó, el proceso utilizado por Joule debió de haber convertido necesariamente el movimiento mecánico (la caída del peso) en calor. Experimentos similares con bobinas calefactores demostraron que podía conseguirse el mismo efecto utilizando electricidad, y Joule llegó a la conclusión de que las formas convencionales de energía podían convertirse en calor, del mismo modo que el calor podía convertirse en energía de movimiento. Cuando la comunidad científica aceptó estos experimentos, la vieja teoría calórica quedó finalmente archivada. Ahora estaba demostrado que el calor era una forma de energía y no un tipo de fluido especial que impregnaba los materiales.

Fig. 1


¿Pero qué significa esto? Cuando los físicos utilizan el término energía, piensan en una definición precisa, una definición que puede corresponderse o no con el uso co-loquial del término. Cuando dicen que algo tiene energía, significan con ello que puede ejercer una fuerza a lo largo de una distancia. Por ejemplo, la mezcla en explosión de gasolina y aire dentro del cilindro de un automóvil posee energía porque puede obligar a bajar al pistón y consecuentemente puede impulsar hacia delante al coche contra las fuerzas de fricción de la carretera y contra la resistencia del aire. Cuando una fuerza actúa a lo largo de una distancia decimos que se realiza «trabajo», de modo que la energía puede definirse como la capacidad de realizar trabajo.

En general, los físicos del siglo XIX reconocieron dos grandes categorías de energía: la energía asociada con el movimiento (energía cinética) y la energía asociada con la posición (energía potencial). Una pelota de béisbol en movimiento es un ejemplo de un objeto dotado de energía cinética. Cuando un jugador la atrapa, la pelota ejerce una fuerza sobre su guante, una fuerza que actúa a lo largo de una distancia (pequeña) comprimiendo el relleno del guante. Aunque la pelota dé contra un objeto tan rígido como una pared de hormigón, se producirá alguna deformación de la pared (y de la pelota) cuando se ejerzan las correspondientes fuerzas. O sea, que la pelota, gracias a su movimiento, puede ejercer una fuerza a lo largo de una distancia (puede hacer trabajo) y, por lo tanto, posee energía, según la definición que hemos dado de este término.Puede ilustrarse la energía asociada con la posición, o energía potencial, aguantando un libro por encima del suelo con el brazo extendido. Mientras el libro permanece estacionario, no se hace trabajo y no se gasta energía. Pero es evidente que podemos obligar al libro a hacer trabajo, simplemente, soltándolo. Por lo tanto, el libro tiene la capacidad potencial de realizar un trabajo, aunque no lo realice en este momento concreto. Decimos que el libro posee energía potencial.Sin embargo, la energía potencial que tiene el libro depende de su posición. Si estuviera sobre el suelo no podría hacer trabajo. Además la experiencia nos enseña que cuanto más alto esté el libro sobre el suelo, mayor será el impacto producido cuando choque contra él, y por lo tanto más trabajo podrá realizar, es decir, que mayor será su energía. Es la gravedad lo que proporciona al libro su capacidad de movimiento cuando lo soltamos, por lo tanto hablamos aquí de una energía potencial gravitatoria.Si volvemos un momento al experimento de Joule, comprenderemos que el peso elevado posee precisamente este tipo de energía, y que la energía potencial del peso se convierte en la energía cinética de la rueda de paletas a medida que el peso cae. Podemos dar un paso más en esta cadena de razonamientos. Al comenzar el experimento alguien (o algo) tuvo que levantar el peso, tuvo que ejercer la fuerza suficiente para superar la fuerza atractiva de la gravedad sobre el peso a lo largo de toda la distancia desde el suelo hasta el punto superior de des-canso. En otras palabras, hubo que gastar energía para levantar el peso. Probablemente esta energía procedía de los músculos de los ayudantes de laboratorio de Joule, del mismo modo que en un laboratorio moderno de investi-gación la proporcionarían los licenciados. Ésta es, pues, la energía que el peso gasta cuando desciende y que la cuerda transfiere a las paletas de la rueda.Esta manera de mirar las cosas sugiere una especie de proceso equilibrador en la naturaleza. Para que un sistema pueda gastar energía primero debe adquirirla, y la cantidad gastada debería ser igual a la cantidad suministrada. De hecho siempre será así mientras limitemos nuestra atención a las energías potencial y cinética. Quizás el mejor ejemplo de este tipo de equilibrio energético nos lo den las montañas rusas. Cuando el carrito inicia su carrera, la energía, que ha sido suministrada por el motor elevador, es puramente potencial. Cuando el carrito empieza a bajar por la vía, parte de esa energía se convierte en energía cinética y el carrito acelera, con la consiguiente alegría de sus ocupantes. En el fondo de la primera bajada, la conversión es completa: toda la energía potencial original se ha convertido en energía cinética. Cuando el carrito empieza a subir de nuevo, se inicia el proceso contrario y la energía cinética se convierte de nuevo en energía


potencial. Si no hubiera fricción el proceso continuaría indefinidamente. La energía total del sistema permanecería inalterada, pero la proporción de cada una de las dos categorías se iría desplazando continuamente. Los físicos llaman a esto ley de conservación. Esté donde esté el sistema, a medida que transcurre el tiempo su energía total se mantiene igual (es decir se conserva).Esta pulcra manera de mirar el mundo, en la que ciertas cantidades son fijas e inmutables, es muy atractiva. De hecho puede entenderse hasta qué punto es atractiva considerando la angustia que produjo la cuestión de la naturaleza del calor entre los científicos del siglo XIX. Porque si pensamos en el final del experimento de Joule, nos damos cuenta de que la energía potencial original ha desaparecido (al fin y al cabo, el peso está de nuevo en el suelo) pero al mismo tiempo la rueda de paletas y el agua han quedado estacionarias.

Parece como si la energía se hubiera simplemente desvanecido. El hecho de que el agua esté más caliente que al principio es interesante, desde luego, pero si sólo tenemos en cuenta en la suma final los tipos de energía discutidos hasta ahora, el hecho carece también de importancia. La gran contribución de Joule a la ciencia fue demostrar que la cantidad de calor generada es exactamente la necesaria para equilibrar la suma de energías. Con este argumento pudo convencer a sus colegas de que el calor no era más que una tercera categoría en la cual podía transformarse la energía. Esta conclusión no debería de habernos sorprendido contemplada con nuestros conocimientos modernos. Sabemos que el agua está compuesta de moléculas. Si imaginamos la rueda de paletas abriéndose camino a través de un conjunto de moléculas de este tipo, comprenderemos que tendrá que acelerarlas. Por lo tanto, la energía potencial del peso, considerada a escala atómica, no ha desaparecido sin más; ha servido para aumentar la energía cinética de las moléculas del agua. Esta mayor velocidad molecular se percibe en forma de un aumento de temperatura. La obra de Joule demostró que el calor no era una especie de sustancia misteriosa que podía destruir energía, sino simplemente energía en una forma no reconocida hasta entonces. Trabajos adicionales de Joule y de otros no sólo verificaron esta afirmación, sino que demostraron que la cantidad de energía convertida en calor es siempre igual a la diferencia entre las energías original y final del sistema.Por lo tanto, la concepción atractiva de la naturaleza en la que la energía se conserva siempre, y en la que los cambios aparentes no son más que conversiones de energía de una forma a otra, queda de nuevo restaurada si reconocemos que el calor es una forma especial de la energía cinética. Podemos resumir este resultado del siguiente modo:

El calor es una forma de energía, y la energía siempre se conserva.Ésta es la expresión de la llamada Primera Ley de la Termodinámica.Hay una analogía útil que puede ayudarnos a comprender este principio. Imaginemos una serie de cubos o baldes, cada uno con una etiqueta diferente. Una etiqueta podría rezar «energía potencial gravitatoria», otra «calor», otra «energía cinética», etc. Si tenemos un litro de agua podemos decidir guardarlo todo en un cubo, o podemos trasladarlo de un cubo a otro, o podemos distribuirlo entre los cubos. Pero hagamos lo que hagamos, siempre habrá un litro de agua en el sistema. De un modo exactamente análogo, la energía total de cualquier sistema aislado será siempre la misma, aunque la traslademos arbitrariamente entre los distintos «cubos».Los hechos que llevaron a la formulación de la Primera Ley nos permiten aprender una lección muy importante. Siempre que nos encontremos con una situación en la que parece que se haya creado o que se haya destruido energía, nuestra primera preocupación será comprobar si hemos descontado algún cubo. Antes de Joule, el cubo que faltaba era el que lleva la etiqueta de «calor», y la contribución de aquel científico fue comprender que si incluimos al calor en nuestras cuentas podemos eliminar el aparente desequilibrio.


Joule fue el primero en asentar sobre una base experimental firme la conservación de la energía, pero Julius Robert von Mayer, un médico alemán que trabajaba en Java llegó a la misma conclusión por un camino diferente. Von Mayer observó que la sangre venosa de sus pacientes tenía un color rojo mucho más brillante en los trópicos que en Europa. Pensó que este efecto se debía a que el cuerpo del paciente extraía menos oxígeno de la sangre arterial porque en los trópicos necesitaba generar menos calor, que en climas más fríos, para mantener una temperatura normal del cuerpo.Llegó entonces a la conclusión de que el calor del cuerpo debía proceder de la energía almacenada en los alimentos, y obtuvo así el mismo resultado sobre la conservación de la energía que el demostrado por Joule en sus laboratorios.

Pensemos ahora de nuevo en un fuego de leña. Tenemos aquí una creación aparente de energía: el trozo de madera que echamos al fuego no tiene ni energía gravitatoria, ni energía cinética, y sin embargo produce calor. ¿Cómo podemos reconciliar esto con la Primera Ley? Si queremos seguir la pista de nuestro precedente histórico, nuestro primer intento para resolver el dilema debería centrarse en la posibilidad de que estemos pasando por alto alguna categoría de energía.Como hicimos con el calor, podemos descubrir este tipo desconocido de energía pensando a nivel microscópico. Sabemos que un átomo tiene una estructura pareci-da a la de la figura 2, con unos electrones cargados negativamente que giran alrededor de un núcleo cargado positivamente.

Figura 2

Las cargas eléctricas de signo opuesto se atraen mutuamente, por lo tanto, sabemos que si deseamos desplazar un electrón del punto A al punto B tendremos que aplicar una fuerza a lo largo de una distancia, es decir, que tendremos que aplicar un trabajo. El electrón, al situarse en el punto B, deberá haber adquirido energía en virtud de su posición, del mismo modo que un libro levantado desde el suelo a la altura del hombro ha adquirido una energía potencial gravitatoria. Si el electrón cayera de nuevo al punto A, la energía que había adquirido antes se convertiría en energía de movimiento, del mismo modo que un objeto al caer convierte energía potencial gravitatoria en energía de movimiento. De hecho, existe una analogía clara entre la energía que un electrón posee debido a su posición en el átomo y la energía que un objeto pesado tiene debido a su altura sobre la Tierra.


Por lo tanto, podemos hablar de la «energía potencial eléctrica» y agregar este nuevo «cubo» a nuestra anterior colección. Un átomo o una molécula dada tendrán siempre alguna energía eléctrica almacenada en sus electrones debido a la posición que ocupan. Esta energía a veces se llama energía potencial química. La madera, el carbón y otros combustibles no constituyen ninguna excepción a esta regla, a pesar de que sus moléculas a menudo son muy complicadas. En el proceso de la combustión, estas moléculas complejas se combinan con el oxígeno descompo-niéndose en muchas moléculas más pequeñas (la más común de las cuales es el dióxido de carbono). Cada una de estas moléculas más pequeñas tiene también una cierta cantidad de energía almacenada en sus electrones en virtud de la posición que éstos ocupan. Por lo tanto, al analizar el fuego de leña entran en juego tres energías: la energía potencial eléctrica almacenada en la madera original y en las moléculas de oxígeno, la energía potencial eléctrica almacenada en los productos finales de la combustión y el calor producido por el fuego. La aritmética necesaria para el cálculo es algo complicada, pero puede demostrarse que la energía potencial eléctrica después de la combustión es inferior a la de antes. Si comparamos este déficit energético con la cantidad de calor producido por el fuego encontraremos que son iguales. Por lo tanto, la combustión sólo convierte la energía potencial eléctrica en calor. Vemos también ahora que la introducción de una nueva categoría de energía restablece la ley de conservación que parecía violada.

La combustión es un ejemplo más de las reacciones en las que se intercambian energía potencial eléctrica y calor. Hay otras reacciones (como las que se dan al cocinar) en las que el proceso sigue la dirección inversa. Se agrega energía calorífica a un sistema para iniciar reacciones químicas, y la energía eléctrica almacenada es mayor después de la reacción que antes. Pero en todos los casos la Primera Ley se mantiene.A fines del siglo XIX tuvo lugar una controversia muy interesante y poco conocida centrada en el tema de la conservación de la energía. Intervino en el debate William Thomson (el barón Kelvin) quien se había ocupado de convertir los cuidadosos resultados experimentales de Joule en una formulación, matemáticamente rigurosa y de gran trascendencia, de la conservación universal de la energía. El tema de la controversia era el proceso que permitía al Sol radiar tanta energía al espacio que le rodea. Es relativamente sencillo calcular la energía que el Sol está produciendo. Sabemos la cantidad de energía que incide sobre las capas superiores de la atmósfera de la Tierra: aproximadamente 1,4 kilowatios por metro cuadrado. Si imaginamos una esfera con un radio igual al de la órbita de la Tierra y con centro en el Sol, podemos entender que la misma cantidad de energía citada atraviesa cada metro cuadrado de la superficie de esta esfera. Si multiplicamos la superficie de la esfera en metros cuadrados por 1,4 kilowatios tendremos la cantidad total de energía emitida por el Sol cada segundo. Como era de esperar, la cantidad de energía radiada resulta astronómica, en los dos sentidos de la palabra.Kelvin sólo conocía dos fuentes de donde extraer energía solar: las reacciones químicas que convierten la energía eléctrica en calor, y el potencial gravitatorio del Sol. Si el Sol se fuera contrayendo lentamente, las partículas al acercarse hacia el centro perderían energía potencial gravitatoria. Kelvin creía que ésta era la fuente de la energía del Sol. Dedujo de sus cálculos que, por imperativos de la Primera Ley, el Sol sólo podía haber existido desde hacía muy poco tiempo: unos 100 millones de años, más o menos. Esta afirmación, procedente del más famoso físico de la época, provocó gran sensación en un momento en que los geólogos y los evolucionistas aseguraban que la edad de la Tierra se medía en miles de millones, y no en millones de años. La evolución darwiniana sólo podía tener lugar con el paso de largos períodos de tiempo, con la consiguiente acumulación de cambios genéticos y la producción final de la gran variedad de formas vivas que se han ido desarrollando. Cuando Kelvin, utilizando sus cálculos de las fuentes de energía del Sol, dijo: «Os daré cien millones de años, y no más», parecía que estuviese tramándose un gran conflicto.


Resultó al final que no había conflicto entre la edad del Sol deducida por consideraciones energéticas y la edad de la Tierra obtenida por geólogos y biólogos. Kelvin había caído simplemente en la vieja trampa de suponer que las fuentes de energía que él conocía eran las únicas posibles, o sea que no podían añadirse más “cubos” a nuestro cuadro energético. En realidad la promulgación de la teoría de la relatividad por Albert Einstein a principios del siglo XX supuso una adición muy importante al esquema clasificador de energías que hemos elaborado. La famosa ecuación E = mc2 es una parte tan esencial de nuestro folklore que apenas precisa introducción. Nos dice que además de la energía asociada con el movimiento hay una energía asociada con la masa. Si en la naturaleza hay un proceso tal que la masa del sistema sea al final menor que al principio, este proceso produce energía. Esto es exactamente análogo a la combustión, en la que la diferencia de energía eléctrica antes y después de la oxidación aparece en forma de calor.Por lo tanto, la masa se convierte en un cubo más para la energía. Digamos de paso que siendo el factor c2 (el cuadrado de la velocidad de la luz) que aparece en la fórmula de Einstein tan grande, basta solamente convertir una pequeña cantidad de masa para llenar un cubo de energía muy grande. De hecho si pudiese convertirse completamente en energía un bloque de cemento del tamaño aproximado de la silla donde estamos sentados suministraría toda la energía utilizada durante un año en Estados Unidos para cualquier uso. La energía del cubo de la masa mantiene brillando al Sol. La figura 3 es un diagrama esquemático y simplificado del proceso. Cuatro protones (los núcleos de cuatro átomos de hidrógeno) se unen para formar un único núcleo de helio, más unas cuantas partículas ligeras más (no debemos preocupamos ahora de la naturaleza exacta de estas otras partículas). Decimos que el hidrógeno se convierte en helio mediante la fusión nuclear.

Helio

Figura 3

Protones Otros productos

Podemos aplicar ahora al proceso de fusión el mismo tipo de análisis que efectuamos con la combustión: sumar las energías antes y después, y ver si hay un déficit. En este caso el déficit es bastante notable porque la masa del núcleo final de helio, sumado a las masas de los otros productos varios, es inferior a la masa de los cuatro protones originales. Esta diferencia, de acuerdo con la fórmula de Einstein, se convierte en energía en sus formas más convencionales (principalmente energía cinética de las partículas).Es la energía que al final vemos en forma de luz solar.En cierto modo, el hecho de que el Sol continúe saliendo y brillando cada día después de miles de millones años es una confirmación de la teoría de Einstein. El convierte unos 600 millones de toneladas de hidrógeno en helio cada segundo, pero es tan enorme que pasarán muchos miles de millones de años antes de que se agote su reserva de combustible nuclear.


Por lo tanto, Kelvin tenía razón al decir que el Sol acabaría consumiendo todo su combustible y que este proceso estaría gobernado por la Primera Ley. Pero Kelvin no se daba cuenta que había una fuente de energía infinitamente más poderosa que esperaba ser descubierta algún día. Conocemos, pues, de momento tres tipos de energía: la de masa, la cinética y la potencial, con varias subclases esta última. En realidad los físicos ignoran a menudo las distinciones que hemos explicado y hablan simplemente de la masa-energía como si fuera una entidad indivisible. Como es lógico, saber si esto representa un juicio definitivo sobre el tema es un tema abierto a la especulación. La experiencia del siglo XIX no parece apoyar mucho a quienes afirman que ya lo sabemos todo sobre la energía. Pero aunque se descubran nuevos cubos de energía parece seguro que en el futuro la Primera Ley y la constancia que impone dentro de la naturaleza sobrevivirán.

Luego de leer con atención el texto de Trefil respondé las siguientes preguntas

1. ¿Cuál es el problema básico que enfrentan los científicos al tratar el tema del calor?

2. ¿Cuál es la primera prueba experimental contra la teoría del calórico?

3. Explicá cuál es la contribución de Joule en el análisis del problema. Describí brevemente el experimento y sus conclusiones.

4. ¿Qué expresa la primera ley de la termodinámica?

5. ¿Cuál fue el análisis de Mayer para llegar al principio de conservación de la energía?

6. ¿Qué fuente de energía introduce Einstein a principios del siglo XX?

7. ¿A qué responde el título de este artículo?


Sección 1: La energía

1) La lectura del texto anterior de J. Trefil te habrá permitido revisar y ampliar este concepto tan importante para la Física que es el de la Energía. Todas las formas en que se presenta la energía pueden clasificarse en cuatro grupos:

energía de movimiento, llamada energía cinética energía radiante energía almacenada, llamada energía potencial energía de masa

Da ejemplos de manifestaciones de cada una de estas formas de energía.

2) Una de las características destacables de la energía es que puede transformarse. Considerá los siguientes ejemplos y respondé en tu carpeta las preguntas correspondientes:

a. Un paquete está quieto sobre el piso y una persona lo eleva hasta un estante, donde lo deja apoyado. ¿Qué transformación de energía se produce si el paquete cae?

b. Si el paquete está quieto ¿tiene más energía arriba o abajo?

c. Una bolita está apoyada en el extremo de un resorte comprimido y quieta, ¿qué transformación de energía se produce cuando el resorte es liberado, en cada una de las situaciones que muestran los esquemas?

d. Dos autos se mueven sobre la misma carretera, en sentidos opuestos, cada uno con determinada energía cinética. Chocan y quedan quietos ¿dónde está la energía cinética que tenían?

Departamento de Física

12

I ) Resorte en posición horizontal II ) Resorte en posición vertical

e. Dos imanes separados se atraen intensamente. Si se los suelta ¿qué sucede? ¿Qué tipo de energías aparecen en este proceso?. ¿Cómo se podrían usar los imanes para guardar energía?Si los imanes no ejercieran fuerza ¿se podría almacenar energía con ellos? Si en vez de atraerse, los imanes se rechazaran ¿cómo se podría guardar energía con ellos?

3) Entre las formas de energía que existen están las energías potenciales, relacionadas con las fuerzas que existen entre los cuerpos. Los cuerpos elásticos que se deforman, como los resortes, pueden almacenar energía potencial elástica. La figura muestra un sistema formado por dos bolitas unidas mediante un resorte, apoyadas sobre una mesa.

a) Hacer un esquema en la carpeta que muestre al mismo

sistema pero en una situación en que la cantidad de energía que almacena es mayor que en la situación mostrada.

b) ¿Cómo tendrías que proceder en la práctica, a partir de la situación inicial, para conseguir almacenar más energía en el resorte? ¿De dónde proviene la energía que se transmite al resorte?.

c) Si, a partir de esta nueva situación, dejaras libre al resorte y las bolitas ¿qué transformación de energía se produciría?

4) Responde a los siguientes planteos:

a- Explicar qué sucede con la energía cinética de una pelota que rueda por el suelo y termina frenándose. ¿Cuál es el mecanismo mediante el cual la pelota pierde su energía?

b- ¿Por qué es necesario que el motor funcione para que un auto se mantenga en movimiento?

c- Un carrito se desliza hacia abajo desde lo alto de una loma ¿llegará a la misma altura del otro lado? Explicar a partir del concepto de energía.


5) Determiná cuáles afirmaciones son verdaderas y cuáles falsas:

a) Un cuerpo ubicado a un metro de altura sobre la superficie de la Luna tiene menos energía gravitatoria que el mismo cuerpo ubicado a un metro de altura sobre la superficie terrestre.

b) Cuando un cuerpo cae, aumentan al mismo tiempo su energía gravitatoria y su energía cinética.

c) Si un cuerpo duplica su velocidad, su en cinética también se duplica.

d) Si un cuerpo duplica su masa, sin variar su velocidad, su energía cinética también se duplica.

6) ¿Cuáles de las siguientes expresiones corresponden a unidades de energía?

a) gr . cm/s2

b) kg . km2/h2

c) Ton . m2/s

7) Mencioná un ejemplo para cada situación:

a) Un cuerpo cuyas energías cinética y gravitatoria aumenten.b) Un cuerpo que posea energía elástica y energía gravitatoria, pero que no posea energía cinética.c) Un cuerpo cuya energía cinética disminuya y energía elástica aumente.d) Un cuerpo que posea energía cinética constante y energía gravitatoria en disminución.e) Un cuerpo cuya energía gravitatoria se transforma en calor.

8) Un kilogramo de U-235 puede suministrar unos 74 billones de joules de energía nuclear. Si se lo utiliza como combustible para impulsar una nave espacial de 3.000 toneladas: ¿qué velocidad podrá desarrollar como máximo?

9) Un cuerpo de 50 kg se eleva a una altura de 12 m sobre el piso. a) ¿Cuánto cambió su energía potencial gravitatoria?b) ¿Cuál será el valor de su energía cinética cuando haya caído

6 m?

10) Eustaquio empuja con una fuerza de 264 N a un carrito de 80 kg inicialmente quieto, sobre una superficie horizontal. Si el rozamiento con el suelo es de apenas 32 N, calculá:

a) la energía cinética del carrito después de haber recorrido 8 mb) si Eustaquio deja de empujar en ese momento cuánto

recorrerá el carrito hasta detenerse.

11) Una persona parada en el borde de un acantilado de 300 m de altura arroja hacia abajo una piedra (m = 2 kg), que sale de su mano con una velocidad de 6 m/s. Considerá despreciable la resistencia del aire.


a) ¿Cuánto vale la energía mecánica de la piedra en el momento que parte? ¿y durante el resto del movimiento?

b) Calculá la velocidad de la piedra cuando haya descendido 30 mc) Calculá la velocidad de la piedra cuando esté a 100 m del

suelo.

12) Un carrito de una montaña rusa comienza a subir la cuesta con una rapidez de 8 m/s; despreciando las pérdidas, ¿podrá pasar la primera cima si ésta tiene 5 m de altura?

13) Un chico de 40 kg se deja caer desde una altura de 1 m sobre una cama elástica. Suponiendo que las pérdidas de energía son insignificantes,

a) ¿cuánta energía se almacena en la cama elástica en el instante en que el chico alcanza el reposo parado sobre ella?

b) ¿A qué velocidad será lanzado al aire nuevamente?

14) Una piedra de 200 g de masa se deja caer desde una ventana situada a 10 m sobre el nivel del suelo. Sabiendo que la piedra llega a tierra con una rapidez de 10 m/s, determinar la cantidad de energía térmica generada por la acción del rozamiento de la piedra con el aire.

15)Una piedra de 10 kg rueda sobre un plano inclinado ascendiendo una altura de 2 m hasta quedar quieta Si había partido con una rapidez de 12 m/s, calculá la cantidad de energía disipada, en todo el proceso, en forma de calor.

Sección 2: Calorimetría

Lee atentamente las secciones 21.2 a 21.7 del libro de Hewitt y respondé a las preguntas que se plantean a continuación:


a) ¿Qué es el calor?b) ¿Qué condición debe darse para que se pueda producir

transferencia de energía térmica?c) ¿Cuál es el sentido espontáneo del flujo de calor?d) ¿A qué se llama equilibrio térmico?e) ¿Qué es la energía interna?f) ¿Con qué magnitudes se relaciona la cantidad de calor que un

cuerpo puede recibir o entregar?g) ¿En qué unidades se mide el calor?h) ¿Qué es el calor específico de una sustancia?

Aunque en los ejercicios aparecen datos numéricos no siempre será necesario aplicar una ecuación o fórmula para responder

16) Dos cuerpos de la misma masa se calientan sobre dos mecheros idénticos y durante el mismo lapso. El cambio de temperatura del cuerpo A es mayor que el del cuerpo B. Señalar si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y explicar por qué:

a) El cuerpo A recibe más energía que el cuerpo Bb) El calor específico del cuerpo A es menor que el del cuerpo Bc) Para que el incremento de temperatura de ambos fuera igual, habría que haber calentado una masa mayor de B.

17) Si cuando se entregan 2000 cal a un cuerpo de 300 gramos de masa la temperatura aumenta en 25 ºC ¿cuánto aumentará la temperatura de este cuerpo si se le entregan 4000 cal? Justificar la respuesta.

18) Un cuerpo al que se le entrega calor va aumentando progresivamente su temperatura. ¿Esto se puede mantener indefinidamente? ¿Por qué?

19) A un cuerpo de cierto material y de 250 gramos de masa se le entregan 8500 cal para que su temperatura pase de 20 ºC a 50 ºC. ¿Cuánto calor es necesario entregar a otro cuerpo del mismo material y del doble de masa para lograr la misma variación de temperatura? Justificar.

20) Dos cuerpos están hechos del mismo material. El cuerpo A tiene la mitad de la masa del cuerpo B y ambos están a la misma temperatura. Si a los dos cuerpos se le quita la misma cantidad de calor:

a) ¿Qué le ocurre a los cuerpos?b) ¿Los cuerpos quedan a la misma temperatura? Si no es así en cuál

desciende más la temperatura. Justificar.

21) Se tienen dos muestras del mismo material de masas mA y mB. Si mA > mB , la temperatura inicial es la misma y se entrega la misma cantidad de calor a ambas muestras, se verifica que:

a) La temperatura final de A es mayor que la de Bb) La temperatura final de A es menor que la de Bc) Las temperaturas finales son iguales

22) Dos muestras de distinto material e igual masa se encuentran a la misma temperatura. Si el calor específico de A es mayor que el calor


específico de B y se entrega a las muestras la misma cantidad de calor, se verifica que:

a) la muestra A alcanza mayor temperatura que la muestra Bb) la muestra A alcanza menor temperatura que la muestra Bc) las muestras alcanzan la misma temperatura

23) Dos muestra de igual masa y distinto material absorben igual cantidad de calor y se observa que tA < tB. De acuerdo con esto se puede afirmar que:

a) cA = cB

b) cA < cB

c) cA > cB

24) Se tienen dos muestras de igual masa y distinto material.

El gráfico representa la variación de temperatura en función de la cantidad de calor entregado.Analizar el gráfico y decir si:

a) cA > cB

b) cA = cB

c) cA < cB

25) El aluminio tiene un calor específico de más del doble del calor específico del cobre. Se dejan caer dos masas idénticas de aluminio y cobre que se encuentran a la misma temperatura, dentro de un recipiente con agua caliente. Cuando el sistema ha alcanzado el equilibrio se verifica que:

a) el aluminio está a mayor temperatura que el cobreb) el cobre está a mayor temperatura que el aluminioc) el aluminio y el cobre están a la misma temperaturad) la diferencia de temperaturas del aluminio y el cobre depende de

la cantidad de agua que inicialmente tenía el recipiente


t B

A

Q

17

26) En el cuadro aparece información sobre cinco procesos de intercambio de calor. Completarlo calculando en cada uno la magnitud que falta.

Las unidades de los calores específicos son

ProcesoTemperatura inicial t0

(ºC)

Temperatura final t (ºC)

Masa m (g)

Calor específico

ce

Cantidad de calor Q

(cal)1 10 56 280 0,115

2 98 12 1300 0,094

3 25 80 0,056 3080

4 20 800 0,031 1240

5 25 100 300 4882,5

27) Calcular la cantidad de calor en kilocalorías que deben ceder 800 gramos de agua que se encuentran a 100 ºC para disminuir su temperatura hasta 10 ºC.

28) Un cuerpo de 200 gramos absorbe 1200 calorías y su temperatura varía 80 ºC. Determinar el calor específico del cuerpo.

29) Se mezclan en un recipiente 1 kilogramo de agua a 50 ºC y 800 g de agua a 15 ºC. ¿Cuál es la temperatura final de la mezcla?

30) Un trozo de plata (ce = 0,115 cal / g ºC) de 40 gramos de masa se introduce en un horno hasta haber adquirido la temperatura de éste, luego se lo sumerge en un calorímetro que contiene 150 gramos de agua a 15 ºC. La temperatura de equilibrio es de 25 ºC. Calcular la temperatura que tenía el horno.

31) Un trozo de vidrio (ce = 0,16 cal/g ºC) cuya masa es de 200 gramos tiene una temperatura de 150 ºC y se introduce en un calorímetro que contiene 800 gramos de agua que está a 10 ºC. Calcular la temperatura de equilibrio. (Sol: 16,6 ºC)

32) Un trozo de plomo de 430 gramos que estaba a 100ºC se sumerge en 200 gramos de agua a 20 ºC. Una vez estabilizada la temperatura el termómetro indica 25ºC. ¿Cuál es el calor específico del plomo?

Sección 3: Transferencia de energía térmica y Cambios de estado


Leé en el libro Física Conceptual el capítulo correspondiente a la “Transmisión del calor” y respondé luego a las siguientes preguntas:

a) ¿Qué papel desempeñan los electrones “libres” en la conducción del calor?

b) ¿Por qué se siente más frío al tacto un trozo de metal a temperatura ambiente que uno de papel, de madera o de tela?

c) ¿Cuál es la diferencia entre un conductor y un aislante?d) ¿Por qué son buenos aislantes los materiales como la madera, las

pieles, las plumas e incluso la nieve?e) ¿Qué es la convección? ¿En qué medios se produce?f) ¿Qué es la energía radiante?g) ¿Cómo varían las longitudes de onda de la energía radiante con la

temperatura de la fuente de la radiación?h) ¿Por qué se ve negro un buen absorbente de energía radiante?i) La energía solar radiante se compone de ondas cortas, pero la

radiación terrestre está constituida por ondas largas. ¿Por qué?

33) Un modelo sencillísimo para explicar la transmisión de energía térmica de un cuerpo más caliente a otro más frío consiste en: un salón enorme lleno de personas bastante apretujadas. Todos están parados y quietos, excepto en un sector bien definido, donde todos bailan agitadamente.

a. ¿Hay diferencias entre la energía cinética de quienes están en sectores diferentes?b. ¿Qué ocurrirá con la gente a ambos lados del límite entre los dos sectores?c. ¿Cómo te parece que habrá variado el movimiento en el salón, al cabo de un rato?d. ¿Te parece un buen modelo para describir cómo cambia la temperatura de dos materiales, uno más caliente y otro más frío, que están en contacto?e. ¿Qué representan las personas?f. ¿Cuál sería el material frío y cuál el caliente?g. ¿Qué propiedad de las personas indica la temperatura del material?h. ¿Qué tipo de energía intercambian las personas?

34) En un sentido estricto, es equivocado decir que las mantas “dan calor”. ¿Qué es lo que hacen las mantas, en realidad? ¿Es correcto decir “tengo calor” o “hace mucho calor”? ¿Por qué?

35) Si encienden una vela, verán que pueden rodear la llama con la mano sin quemarse, pero no pueden ponerla sobre la llama. ¿Por qué? ¿Cómo se transmite el calor de la llama a la mano en cada caso?

36) Supongan que encuentran un material que es un excelente absorbente, pero un pésimo emisor. ¿Cómo será su temperatura respecto a la del ambiente? ¿Podría ocurrir algo así? ¿Qué pasaría al cabo de un tiempo?

37) En algunas recetas se aconseja cocinar a baño María. Para hacerlo, hay que poner el recipiente dentro de otro más grande que tiene agua, y éste último al fuego directo o al horno.

a) ¿Cuál es el objetivo? b) ¿Qué sucede con la temperatura? ¿Por qué?


c) ¿Por qué aconsejan poner mucha agua dentro del recipiente grande?

38) En una fila de personas, la que está primera le quiere entregar un paquete a la que está última. Tiene tres maneras de hacerlo. Identifiquen cada una con una de las formas de transmisión del calor.

1- El paquete pasa de una persona a su vecina, hasta llegar al final de la fila.2- La primera persona sale de la fila con el paquete y camina hasta el final, donde entrega el paquete y después vuelve a su lugar.3- La primera persona arroja el paquete por el aire, que es atajado por el último de la fila.

Leé en el libro Física Conceptual el capítulo correspondiente a los “Cambios de estado” y respondé luego a las siguientes preguntas:

a) ¿Tienen todas las moléculas o átomos de un líquido la misma rapidez o se mueven con rapideces diferentes?

b) ¿Qué es la evaporación y por qué es también un proceso de enfriamiento?

c) ¿Por qué jadean los perros cuando hace calor?d) ¿Por qué causa más daño una quemadura con vapor de agua que una

quemadura con agua hirviente a la misma temperatura?e) ¿Qué contiene normalmente más vapor de agua: el aire caliente o el

aire frío?f) ¿Por qué se forman nubes en el aire húmedo y caliente cuando el

mismo asciende?g) ¿Cuál es la diferencia entre evaporación y ebullición?h) ¿cuántas calorías se necesitan para elevar la temperatura de 1 gramo

de agua en 1º C?i) ¿Cuántas calorías se necesitan para fundir 1 gramo de hielo a 0º C?j) ¿Cuántas calorías se necesitan para evaporar 1 gramo de agua

hirviente a 100º C?k) ¿Desprende o absorbe energía un vapor al convertirse en líquido?

39) Los materiales pueden sufrir cambios en su estado de agregación (sólido-líquido-gaseoso) y cada uno de esos cambios tiene un nombre. Teniendo en cuenta el esquema, completar el cuadro, marcando con una cruz si en proceso se absorbe o se libera energía


Proceso Nombre Absorbe Libera123456

20

40) ¿Es siempre cierto que si a un cubo de hielo se le entrega calor, el hielo se derrite? Explicar la respuesta.

41) Si para fundir una cierta cantidad de hielo que está a 0 ºC se le deben entregar 3400 calorías. ¿Cuánta energía se le debe quitar para solidificarlo nuevamente?

42) Si el calor latente de fusión del hielo es 80 cal/g ¿Qué masa de hielo se fundió en el problema anterior?

43) ¿Cuánto calor debe absorber una masa de 2,5 kg de hielo que está a 0°C para llegar a convertirse en agua a 50 °C? (Lf = 80 cal/g)

44) Esquematizar la temperatura en función del tiempo para un proceso que lleve vapor de agua a 120º hasta hielo a –10 ºC

45) ¿Qué cantidad de calor hay que entregar a 0,8 kg de hielo que se encuentra a 0 ºC para transformarlos en agua a 0 ºC? (Lf = 80 cal/g)

46) ¿Qué cantidad de calor se transfiere al condensar 1200 g de vapor de agua a 100 ºC transformándolo en agua a la misma temperatura? (Lv = 540 cal/g)

47) ¿Qué masa de hielo a 0 ºC es posible fundir con 600 Kcal?

48) ¿Qué variación de temperatura experimentan 500 g de agua a 100 ºC al transformarse íntegramente en vapor?

49) Un automóvil de 1.600 kg marcha a 108 km/h. Calcular la cantidad de energía que se transforma en calor cuando los frenos detienen la marcha del auto ¿qué masa de hielo se podría haber fundido con ese calor? (1 cal = 4,18 J)

50) ¿Qué cantidad de calor se necesita para transformar 500 g de hielo que se encuentra inicialmente a –10 ºC en agua a 20 ºC? (Cehielo = 0,5 cal/ºC g)

51) ¿Qué masa de hielo a 0 ºC es posible fundir con el calor liberado al condensar 200 gramos de vapor de agua que se encuentran a 100 ºC?

52) Calcular la cantidad de calor que hay que suministrar a cada uno de los cuerpos siguientes para fundirlos totalmente a la temperatura de fusión:

a) 1500 gramos de aluminio (Lf = 76,8 cal/g)b) 1 kilogramos de hielo (Lf = 80 cal/g)

53) Determinar la cantidad de calor que debe absorber una masa de 3,5 kilogramos de mercurio que está a –50ºC para vaporizarlo totalmente a la temperatura de 400 ºC. Considerar que el calor especíco se mantiene igual en los distintos estados. (Ce = 0,033 cal/g ºC, tf = -38,8 ºC, Cf = 2,82 cal/g ºC, teb = 357ºC, Cv = 70,6 cal/g).

Sección 4: Temperatura, Escalas termométricas y Dilatación


54) Lee los siguientes párrafos, extraídos del libro Física 1 de Rela – Sztrajman

Termómetros

Para tener una medida cuantitativa e independiente de nuestra impresión (es decir, numérica y objetiva) acerca de si un objeto está caliente o frío, nos valemos de instrumentos de medición, los termómetros, que asignan una magnitud física para caracterizar el estado térmico de un cuerpo; es a esa magnitud a la que llamamos temperatura.

Hay muchos tipos de termómetros, pero todos ellos se basan en el cambio notorio de alguna propiedad al modificarse la temperatura; ese cambio sirve para medirla.

clínico electrónico

de contacto electrónico

Hay termómetros de mercurio, como los termómetros clínicos que miden l a tem peratura corporal; también existen termómetros de alcohol y de gas; todos ellos; se basan en la dilatación que sufre la sustancia termométrica con los cambios de temperatura. También hay termómetros electrónicos; en ellos la resistencia eléc trica de un componente, el termistor, cambia con la temperatura; y existen otros en los que cambian propiedades ópticas que sirven como indicadores por ejemplo las de un cristal líquido encerrado entre dos polaroides; esos termómetros tienen la apariencia de una película fotográfica y cuando se aplican sobre la frente del niño aparece una N si su temperatura es normal, o el valar correspondiente si no lo es.

Responde: ¿Qué es una propiedad termométrica? Dar cuatro ejemplos diferentes.

55) ¿Cuáles son los puntos fijos en la escala de Celsius? ¿Con qué fenómenos físicos están relacionados?

56) ¿Hay temperaturas negativas en la escala de Celsius?


57) ¿Cuántos grados hay entre el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua en la escala de Fahrenheit?

58) ¿Hay temperaturas negativas en la escala de Fahrenheit?

59) ¿Cuándo es mayor el cambio de temperatura: al aumentar 1ºC o 1ºF? Justifica tu respuesta.

60) El esquema que sigue muestra la correspondencia entre algunas temperaturas en las escalas Celsius y Fahrenheit. A partir de él estimá a cuántos grados Fahrenheit equivalen 50ºC.

61) En el siguiente cuadro se dan las temperaturas de distintos cuerpos en una determinada escala. Completá en el cuadro expresando esos valores en la otra escala.

Cuerpo Temperatura en º C Temperatura en º F

A 24

B -39

C 202

D -8

62) Completá la siguiente tabla con el valor de temperatura Celsius que equivale a cada una de las temperaturas Fahrenheit

86 °F

122 °F

158 °F

176 °F

400 °F


Celsius Fahrenheit

212

100

0

32

0

23

63) Completá la siguiente tabla con el valor de temperatura Fahrenheit que equivale a cada una de las temperaturas Celsius.

65,5 °C

35 °C

168,5 °C

-15 °C

-120 °C

Lee, en el libro de Hewitt, desde el apartado 21.8 (pág. 317) hasta la página 321 del apartado 21.9. (en el libro nuevo es pág. 296 hasta 299)Luego de la lectura responde

64) ¿Qué es la dilatación o expansión térmica?

65) ¿Qué se expande más con el aumento de temperatura, los sólidos, los líquidos o los gases? ¿cómo podés explicar esto desde el punto de vista microscópico?

66) ¿Cómo puede ser la dilatación de un sólido desde el punto de vista de la forma del cuerpo?

67) ¿Todos los cuerpos de igual forma y tamaño se dilatan igual? ¿Por qué?

68) El agua tiene un comportamiento particular en cuanto a la dilatación. ¿En qué consiste ese comportamiento anómalo?69) Después que un mecánico coloca un anillo de hierro caliente y bien ajustado sobre un cilindro de latón frío (ver la figura), el anillo se cierra y ya no se puede sacar ni siquiera por calentamiento posterior. Este procedimiento se conoce como “ajuste por contracción”. Aplica tus conocimientos sobre la dilatación térmica para justificar por qué no es posible quitar el anillo sin romperlo.

70) Dos varillas A y B están hechas del mismo material y se encuentran a la misma temperatura. Se sabe que la longitud inicial de A es mayor que la longitud inicial de B. Si al calentarlas se observa que , es posible afirmar que: (selecciona la respuesta correcta y justifica tu elección)

a)

b)

c) a) No es posible hacer una determinación

71) Si a una varilla de metal que se encuentra a una temperatura inicial t i se calienta hasta una temperatura tf se produce una dilatación de l. Si la


temperatura inicial de la varilla hubiese sido mayor que la indicada se podría afirmar que:

a) La varilla se hubiese dilatado menosb) La varilla se hubiese dilatado másc) La dilatación hubiese sido iguald) El coeficiente de dilatación sería menore) El coeficiente de dilatación sería mayorf) El coeficiente de dilatación sería igual

72) Dos barras metálicas de igual longitud están unidas firmemente como muestra la figura

metal A

metal B (remaches que mantienen unidas las barras)

Si el coeficiente de dilatación lineal del metal A (αA) es mayor que el coeficiente de dilatación lineal del meta B (αB), y se eleva la temperatura, se observa que:

a) El sistema formado por las barras se curva hacia arribab) El sistema formado por las barras se curva hacia abajoc) El sistema formado por las barras se alarga sin curvarsed) El sistema formado por las barras no sufre ningún cambio

Justifica la opción elegida

73) Cuando se calienta un termómetro de mercurio, baja el nivel del mercurio en forma momentánea, antes de comenzar a subir. Explica por qué ocurre eso.

74) Un buen método para romper piedras consiste en calentarlas bien sobre el fuego y luego sumergirlas en agua fría. ¿Por qué se rompen así las piedras?

75) Una vieja receta para cuando dos vasos encimados, uno dentro del otro, y se pegan entre sí, consiste en llenar el vaso interior y rociar la pared externa del vaso exterior con agua a distintas temperaturas. ¿Cuál agua debe estar caliente y cual fría? ¿Por qué?

76) Después de medir las dimensiones de un terreno con una cinta métrica de acero, en un día caluroso, regresas y la mides un día frío. ¿En cuál de las dos mediciones encuentras que la superficie del terreno es más grande?

Los ejercicios que siguen implican el cálculo de algunas variables asociadas con los procesos de dilatación. Las ecuaciones siguientes te servirán para ello:


77) Un cable de cobre tiene una longitud de 15 m cuando la temperatura ambiente es de 20 °C. Si al circular por él una corriente eléctrica se calienta hasta una temperatura de 1200 °C, ¿cuánto se alargará? (αCobre = 1,8 x 10-5

°C-1)

78) Calcular la longitud final de una varilla de latón (αLatón = 2 x 10-5 °C-1) de 10 m de longitud cuando su temperatura pasa de 20 °C a 70 °C.

79) Una cinta de acero de 40000 km forma un anillo que se ajusta bien a la circunferencia de la Tierra. Se la calienta de manera que la cinta eleva su temperatura en 1ºC. La cinta se alarga y ya no queda ajustada. ¿A qué distancia se separa del terreno? Ten en cuenta que la longitud de una circunferencia se calcula L = 2.π.R. El resultado te puede sorprender. (αAcero = 1,2 x 10-5 °C-1)

Respuestas de algunos ejercicios

5) a) V b) F c) F d) V

6) la b

8) aproximadamente 7024 m/s ( más de 25000 km/h)

9) a) 6000 J b) 3000 J

10) a) 1856 J b) 58 m

11) a) 6.036 J y se mantiene constante b) 25,2 m/s c) 63,5 m/s

12) No, su rapidez deberá ser, por lo menos

13) a) 400 J b) 4,5 m/s

14) 10 J

15) 520 J

16) F , V , F

17) 50ºC ya que a igualdad de masa y sustancia la variación de temperatura es directamente proporcional a la cantidad de calor.

18) No. La sustancia pude sufrir algún tipo de transformación como un cambio de estado.

19) 17000 cal ya que para la misma variación de temperatura y el mismo material, la cantidad de calor y la masa son directamente proporcionales


20) a) se enfrían (bajan sus temperaturas) b) No. Desciende más en el A ya que para el mismo material y la misma cantidad de calor, la masa y la variación de temperatura son inversamente proporcionales.

21) Opción b

22) Opción b

23) Opción c

24) Opción a

25) Opción c

26) 1) 1481,2 cal 2) -10509,2 cal 3) 1000 g 4) 70ºC 5) 0,217 cal/ g ºC

27) 72 Kcal

28) 0,075 cal/ g ºC

29) 34,4 ºC

30) 351 ºC

31) 15,38 ºC

32) 0,031 cal/g ºC

39)

40) No. Esto ocurre cuando está a la temperatura de fusión que, por ejemplo, a presión normal es 0º C.

41) La misma

42) 42,5 g

43) 325000 cal

45) 64000 cal

46) - 648000 cal


Proceso Nombre Absorbe Libera1 Fusión X2 Solidificación X3 Gasificación X4 Licuación X5 Volatilización X6 sublimación X

27

47) 7,5 kg

48) 0

49) 720000 J. Se podrían llegar a fundir 2153,1 g de hielo

50) 52500 cal

51) 1350 g

52) 115200 cal y 80000 cal respectivamente

53) 329945 cal

61)

62)

63) 65,5 °C

35 °C

168,5 °C

-15 °C

-120 °C

149,9 95 335,3 5 -184

70) La opción b. Ya que, a igualdad de alargamiento y material, la variación de temperatura es inversamente proporcional a la longitud inicial.

71) opciones a) y f)

72) opción b)

77) 0,318 m

78) 10,01 m

79) 77 m !!!!


Cuerpo Temperatura en º C Temperatura en º F

A 24 75,2

B -39 -38,2

C 94,4 202

D -22,2 -8

86 °F

122 °F

158 °F

176 °F

400 °F

30 50 70 80 204,4

28

TP N° 1: “Curva de calentamiento de líquidos”

Introducción:

El calor es energía que se transfiere de una sustancia a otra en virtud de una diferencia de temperatura. Se puede determinar la cantidad de calor que se transfiere midiendo el cambio de temperatura de una masa de agua conocida que absorbe calor.Algunos líquidos se calientan con más facilidad que otros. Asimismo cuando más cantidad del mismo, mayor es el tiempo empleado en el calentamiento. Para observar esto, vamos a estudiar la rapidez de calentamiento de una cantidad de agua, de una cantidad mayor y de una cantidad de aceite igual a la primera utilizando un mechero.

Objetivos:

1) Comparar las curvas de calentamiento de dos masas distintas de agua.

2) Comparar las curvas de calentamiento de aceite y agua correspondientes a una misma masa.

3) Encontrar una relación matemática entre las variables analizadas: tipo de sustancia, masa, calor entregado o tiempo empleado en el calentamiento y variación de temperatura registrada.

Materiales utilizados:

1 Termómetro escala 0°C-100°C.2 Vasos de precipitado de 500g1 Varilla de vidrio1 Pie de laboratorio1 Nuez1 Mechero1 TrípodeMalla metálica

La malla metálica (círculo gris) sobre el trípode sostiene el recipiente con la masa liquida. En su interior hay una varilla de vidrio (línea gris) y el termómetro (línea amarilla) que cuelga abarrado de la nuez y esta al pie de laboratorio.

Procedimiento:

Se coloca una masa de agua de 200 g a temperatura ambiente en un vaso de precipitado y se la calienta con un mechero. Se registran las


temperaturas alcanzadas por el agua cada 20 segundos con un termómetro, agitando el líquido frecuentemente. Los materiales se disponen como muestra la figura anterior. Se vierte el agua caliente y se enfría el vaso. Se llena, esta vez, con una cantidad mayor a la anterior es decir con mayor masa (500 g), repitiendo el procedimiento detallado con la primera masa. Luego se realiza la misma medición para una masa de aceite igual a una de las masas de agua (200 g).Para analizar los resultados de esta experiencia se realizará el gráfico de temperatura (T) en función del tiempo (t) para cada una de las masas utilizadas. Para el mejor ordenamiento de los datos, te sugerimos volcar las mediciones realizadas en una tabla de valores.

Recomendaciones:

Utilizar masas entre 300 g y 500g.Medir temperatura cada 20 seg.Es recomendable no superar los 50 °C, para evitar quemaduras en caso de derrames. En las tres curvas el origen de los tiempos se toma en el momento de hacer la primera lectura, que corresponderá a la temperatura ambiente.

Tabla de valores:

agua (200 g) agua (500 g) aceite (200 g)(t) tiempo

(T)temperatura

(t)tiempo

(T)temperatura

(t)tiempo

(T)temperatura

(s) (°C) (s) (°C) (s) (°C)0 temp amb 0 temp amb 0 temp amb

Gráficos:

Con los datos anteriores se construye el gráfico de temperatura en función del tiempo para las tres masas en un mismo par de ejes cartesianos.Tener en cuenta para la construcción del mismo que se cometen errores experimentales. Discute con tus


Temp (°C)

tiempo (seg)

compañeros de grupo acerca de los mismos y decide cómo volcarlos al gráfico.

Análisis de las curvas:

Si se desprecia la parte inferior en las curvas que corresponden al período de calentamiento del amianto de la rejilla, aro, etc.,hasta que el calor llega al líquido con una velocidad constante y se tiene la precaución de que la temperatura no sea superior a los 60°C para que el calor no se utilice en la evaporación de los líquidos, podemos ajustar los valores con una recta.Tengamos en cuenta que el tiempo empleado (t) es proporcional al calor suministrado por el mechero (Q).

Cálculos: Se calcularán las pendientes de las rectas en los tres casos:

1. (∆T/ ∆t) 200 g de agua

2. (∆T/ ∆t) 500 g de agua

3. (∆T/ ∆t) 200 g de aceite

Observaciones y conclusiones:

i. Compara las pendientes de los casos 1 y 2 ¿cuál es mayor? ¿por qué?

Reafirma tu conclusión anterior tachando lo que no corresponda, en cada una de las siguientes afirmaciones: A igual variación de temperatura se necesita (mayor /menor)

tiempo o (mayor /menor) cantidad de calor para calentar (mayor/menor) masa de agua.

La cantidad de calor es (directamente/inversamente) proporcional a la masa ( a igual variación de temperatura e igual sustancia)

ii. Compara las pendientes de los casos 1 y 3 ¿cuál es mayor? ¿por qué?

Reafirma tu conclusión anterior tachando lo que no corresponda, en cada una de las siguientes afirmaciones:


A igual variación de temperatura e igual masa se necesita (mayor/menor) tiempo o (mayor /menor) cantidad de calor para calentar el agua que el aceite.

El agua tiene un coeficiente que indica la cantidad de calor necesaria para aumentar 1 g de la misma en 1 °C la temperatura, llamado calor especifico (mayor /menor) que el aceite.

Se establece como unidad de calor la cantidad de calor necesaria para elevar un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua pura. A esta unidad se la denomina “caloría”.

La cantidad de calor es (directamente/inversamente) proporcional al calor específico de la sustancia (a igual variación de temperatura e igual masa)

iii. Reúne las conclusiones obtenidas en i) y ii) en una expresión matemática que vincule las variables analizadas, es decir::

Q (cantidad de calor)c (calor específico)m (masa)∆T (variación de temperatura)

Prepara un informe con los resultados


Q =

calor final 08

Documents