PDF- -Calor Cylinder Connection & Disconnection - Adams Gas - Calor

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COLEGIO DE CIENCIAS LORD KELVIN

FÍSICA

La temperatura mide el grado de agitación molecular promedio que en su interior tiene un objeto,

mide la energía cinética promedio de traslación de sus moléculas

II BIMESTRE

TERMOMETRÍA Y DILATACIÓN

Debemos hacer notar la diferencia que hay entre la energía cinética total de las moléculas y la temperatura (energía cinética promedio de traslación)

ENERGÍA TERMICA O INTERNA De acuerdo con la teoría cinética,

todos los cuerpos están hechos de pequeñas partículas llamadas moléculas

Estás moléculas están en constante movimiento e interaccionan unas con otras cuando están cerca

Para aclarar esta diferencia emplearemos un baldes y una taza,

En un sólido (figura A): Las moléculas se encuentran vibrando alrededor de un punto fijo,

pero no pueden cambiar de posición debido a la atracción molecular que mantiene su volumen y su forma En un líquido(figura B):Las moléculas también se encuentran vibrando,

se trasladan o cambian de posición

Las fuerzas de atracción son de menor intensidad que en los sólidos,

más no su forma

En un gas (figura C): Las moléculas están muy espaciadas,

se trasladan a grandes velocidades

La fuerza de atracción prácticamente desaparece,

los gases no conservan ni su volumen,

a) Si ambos están a la misma temperatura (60º),

en el balde y en la taza hay la misma energía cinética molecular promedio e traslación

b) A pesar de que ambos están a la misma temperatura (60º),

en el balde hay más energía cinética molecular (total),

porque hay más moléculas que en la taza

La temperatura no depende del tamaño del objeto,

MEDICION DE LA TEMPERATURA La temperatura suele determinarse midiendo algún cambio físico que se manifiesta en los objetos cuando varía la temperatura

la mayor parte de las sustancias se dilata cuando aumenta la temperatura

En algunos termómetros se aprovecha la dilatación del mercurio,

que hay en su interior para medir la temperatura de los objetos

Moléculas en un sólido

Moléculas en un líquido

Moléculas en un gas

En los diagramas observamos que las moléculas de os sólidos,

líquidos y gases están en movimiento (agitación molecular) constante y que además interaccionan entre ellas

 Si las moléculas se mueven,

disponen de energía cinética

 Si las moléculas interaccionan entre si,

disponen de energía potencial

La energía térmica es la energía total de un objeto,

la suma de las energías cinética y potencial de sus moléculas

TEMPERATURA La cantidad que nos dice que tan caliente o qué tan frío está un objeto es la temperatura,

esta temperatura está asociada con el movimiento de las moléculas que componen el objeto

Si un objeto se calienta aumenta el movimiento molecular y por consiguiente aumentará también su temperatura

Si un objeto se enfría disminuye el movimiento molecular y su temperatura también disminuirá,

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Un termómetro es un dispositivo que,

se emplea para medir la temperatura

ESCALAS TERMOMETRICAS Un termómetro común mide la temperatura mostrando la expansión y la contracción de un líquido (mercurio o alcohol) que se encuentra en un tubo fino (capilar) de vidrio provisto de una escala

Entre las diferentes escalas podemos mencionar: 4

Escala Celsius: Es la escala más usada,

asigna el 0ºC a la temperatura de congelación del agua y el 100ºC a la temperatura de ebullición del agua (a la presión atmosférica normal)

El intervalo de 0ºC a 100ºC se divide en 100 partes y cada parte se denomina grado Celsius (ºC)

Escala Fahrenheit: Usada comúnmente en Estados Unidos,

asigna el 32ºF a la temperatura de congelación del agua y el 212ºF a la temperatura de ebullición del agua a la presión se una atmósfera

Relación entre las escalas Celsius y Fahrenheit

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Fahrenheit

FÍSICA

 Sean TC y TF las lecturas de la misma temperatura

Establecemos la proporcionalidad entre los segmentos:

TC  0 100  0

T F  32 9

Reemplazando:

TF  32

212  12

TF  68 º F

T F  32 180

T F  32 9

Escala Kelvin: Empleada en la investigación científica

Asigna el 0 K (cero absoluto) a la menor temperatura,

a esta temperatura las sustancias ya no tienen energía cinética,

sus moléculas dejan de moverse

El cero de la escala Kelvin,

corresponde a – 273º C de la escala Celsius

Los grados en la escala Kelvin son del mismo tamaño que los de las escalas Celsius

el hielo funde a 0ºC o 273 K,

y el agua hierve a 100ºC o 373 K

DILATACION TERMICA Cuando un cuerpo es calentado,

a medida que aumenta la temperatura,

aumentará también la agitación de sus moléculas,

Esto producirá un aumento en las dimensiones del objeto

En el diagrama se muestra un objeto caliente,

cuyas moléculas vibran con mayor intensidad que cuando estaba frío

Objeto frío

Objeto caliente

Relación entre las escalas Celsius y Kelvin: Celsius 100ºC

Kelvin 373K

 Sean TC y TK las lecturas de la misma temperatura

Establecemos la proporcionalidad entre los segmentos: TC  0 T  273  K 100  0 373  273 TC T  273  K 100 100

los cuerpos se dilatan por el aumento de la agitación

Dilatación Lineal (L): Un cambio en una dimensión de un sólido se llama dilatación lineal

Experimentalmente se encuentra que la dilatación lineal depende de:

TC  TK  273

a) La longitud inicial (L0) b) El cambio de temperatura (T) Lo

PROBLEMA El medio ambiente está a la temperatura de 20ºC,

halle esta temperatura en la escala de Fahrenheit

Esta dependencia puede expresarse mediante la siguiente ecuación: L  L0 T

RESOLUCION: Escribimos la relación entre las escalas Celsius y Fahrenheit:

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FÍSICA

La densidad inicial es:  o 

Donde  es una constante de proporcionalidad llamada coeficiente de dilatación lineal

Al calentar la densidad final será:  F  Pero: VF=VO (1+T) Luego:  F 

Reemplazando L=LF – L0 en la primera ecuación podemos hallar la longitud final (LF) de la barra

La mayoría de objetos,

Dilatación Superficial (A): To

La dilatación superficial es exactamente análoga a la dilatación lineal

El cambio de área A será proporcional al área inicial A0 y al cambio de temperatura T

A  A0 T : coeficiente de dilatación superficial de igual modo se halla la superficie final AF: A F  A0 (1  T )

¿En una fría mañana se informa que la temperatura es de 50ºF y que hasta el mediodía la temperatura subirá en 8ºC

? a) La temperatura en la mañana,

en ºC b) La temperatura al mediodía,

El cambio de volumen V será proporcional al volumen inicial V0 y al cambio de temperatura T

¿Cuál es la temperatura que en las escalas Celsius y Fahrenheit tiene la misma lectura

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El diámetro de un agujero en la placa de aluminio: (=1,710-5 ºC-1) es de 50mm a 20ºC

¿Cuál es el nuevo diámetro cuando la placa se calienta a la temperatura de 220º C

Demostración:

El área de una hoja de vidrio Pirex es de 0,4m2 a 20ºC

¿Cuál será la nueva área si la temperatura se eleva a 70ºC

? Para el vidrio Pirex: =0,610-5 ºC-1 a) 502,4cm2

VARIACION DE LA DENSIDAD () CON LA TEMPERATURA Cuando calentamos un objeto,

su masa (m) permanece prácticamente constante,

como aumenta su densidad () debe disminuir

Se instalan rieles de acero (=1,21010-5 ºC-1) de 100m de largo cuando la temperatura es de 10ºC

Si la máxima temperatura que se espera es de 30ºC

¿Cuál debe ser el espacio entre los rieles

: coeficiente de dilatación superficial de igual modo se halla la superficie final AF: VF  V0 (1   T )

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Una tubería de cobre (=1,710-5 ºC-1) mide 6m de largo a 10ºC

halle: a) El aumento de longitud b) La nueva longitud

Dilatación Volumetrica (V): To

PRÁCTICA DE CLASE

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FÍSICA

EJERCICIOS PROPUESTOS Nº 01 11

Determine el coeficiente de dilatación lineal de un metal,

si un tubo de este metal mide 1m a 20ºC y cuando transporta vapor a 95ºC se estira hasta 1,003m

Cuando se calienta un objeto comprobarás que se dilata

Esto se debe a que … a)Sus moléculas se mueven con menos intensidad b)El movimiento molecular aumenta c)Las moléculas continúan moviéndose al mismo ritmo d)En el objeto,

aumenta el número de moléculas e)Se desconoce la causa de la dilatación

El área de una tapa es de 100cm2,

su coeficiente de dilatación superficial es 510-5 ºC-1

Halle el incremento de temperatura que debe experimentar la tapa para que pueda cubrir un agujero de 100,2cm2

Generalmente,

la densidad de una sustancia aumenta cuando su temperatura … a) 30ºC a) aumenta

La temperatura de un horno es de 405ºC

¿A cuántos grados Fahrenheit equivale esta temperatura

La temperatura interior de una habitación es de 20ºC,

ésta equivale a: a) 229K

Halle la temperatura en grados Fahrenheit,

si se sabe que equivale a la mitad en grados celsius

a) 2,0018m b) 2,0028m c) 2,0038m d) 2,0048m e) 2,0058m 07

Una tubería de acero(=1,210-5 ºC-1) mide 20m a 20ºC

¿Hasta qué longitud se dilatara cuando por esta tubería pase vapor de agua a 100ºC

La densidad del cobre es aproximadamente 9000 kg/m3

Si un trozo de cobre es colocado en un horno muy caliente su nueva densidad será: a) mayor que 9000kg/m3 b) igual a 9000kg/m3 d) ligeramente mayor que 9000kg/m3

c) Ligeramente menor que 9000kg/m3 e) no se puede predecir

Suponga que el área de una lámina de aluminio,

Halle la nueva área a 140ºC

Para el aluminio =2,410-5 ºC-1 use =2 a) 502,4cm2

A 20ºC el volumen de una lata de cobre (=1,710-5 ºC-1) es de 1L

¿Cuál es su volumen aproximadamente a 100ºC

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Una tuerca de acero se utiliza con un perno,

¿Qué convendría si queremos retirar la tuerca

? a)calentar solamente el perno d) enfriar el perno y la tuerca

b) calentar el perno y la tuerca e) enfriar solamente la tuerca

c)calentar solamente la tuerca

En una lámina de aluminio hay un agujero circular

Si calentamos uniformemente esta lámina,

el área del agujero: a) aumenta

Se muestra un alambre torcido de cobre

Calcule la nueva separación entre los extremos de este alambre cuando la temperatura se incrementa en 50ºC

para el cobre =1,710-5 ºC-1

Una vara de latón tiene exactamente 2m de longitud a 50ºC

¿Cuál es su longitud a 150ºC

? para el latón =1,910-5 ºC-1

a) menos que 100cm d) 100,085cm

Un tubo de hierro (=1,210-5 ºC-1) tiene 300m de longitud a la temperatura ambiente de 20ºC

Si debe transportar agua hirviendo,

¿Qué tolerancia debe considerarse para la dilatación

Un matraz de vidrio Pyrex (=0,910-5 ºC-1) se llena completamente con 50cm3 de mercurio (=1,810-4 ºC-1) a 20ºC

¿Qué volumen de mercurio se derramará,

sí el conjunto se calienta uniformemente hasta 60ºC

Una copa de acero(=1,210-2ºC-1),

estás completamente llena con 300cm3 de petróleo (=0,91004ºC

El sistema se enfría gradualmente hasta 0ºC

¿Qué volumen adicional de petróleo puede agregarse sin que haya derrame

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FÍSICA

0° C Q HIELO

Un alambre de hierro (=1,210

¿Cuánto medirá esta luz en el interior de un horno que se halla a 200ºC más caliente que el medio ambiente

El calor se transmite del cuerpo caliente (mano) al frío (hielo)

Una hoja rectangular de aluminio (=2,410

Halle la nueva área cuando la temperatura es 10ºC

Halle la nueva área cuando la temperatura se eleva hasta 210ºC a) 602,76cm2

 La mano pierde energía interna en forma de calor (Q)

 El calor (Q) se almacena en el hielo,

La sustancias no contienen ni almacenan calor,

pero si contienen y almacenan energía interna

Esta energía puede cambiar cuando la sustancia cede o absorbe calor

TAREA DOMICILIARIA 01

¿Cuál es el aumento en volumen de 20L de alcohol etílico cuando su temperatura cambia de 20ºC a 50ºC

Para el alcohol =1110

TRANSFERENCIA DE CALOR El calor es una forma de energía en tránsito que se puede propagar de tres modos: por conducción,

por convección y por radiación

Un tanque de acero (=1,210

Si la temperatura aumenta a 50ºC

¿Qué volumen de gasolina se derramará

Una tapa redonda de latón tienen un diámetro de 80mm a 32ºC

¿Hasta qué temperatura debe calentarse la tapa,

si ajustará exactamente en agujero con un diámetro de 80,0144mm

Para el latón =1,810-5 ºC-1

R LO CA

Los cuerpos sólidos metálicos se calientan por CONDUCCIÓN

CALORIME TRÍA

CALOR: Cuando tocamos un objeto caliente,

entra energía a nuestras manos porque el objeto está más caliente que nuestras manos

Pero si tocamos un cubo de hielo,

nuestras manos cederán energía al hielo porque está más frío

Observamos que,

la energía se está transmitiendo de la sustancia caliente a la sustancia más fría,

esta energía que se transmite se denomina calor

POR CONDUCCIÓN Si colocamos el extremo de una barra metálica en una llama (fuego),

el calor se habrá extendido en toda la barra que será difícil sostenerla

El calor se ha transmitido a través del metal por conducción

El calor de la llama incrementa,

la agitación molecular que se va extendiendo progresivamente a lo largo de toda la barra

El calor (Q) es la energía que se transmite de un cuerpo a otro

Solamente a causa de una diferencia de temperaturas

Siempre se transmite del más caliente al más frío

POR CONVECCIÓN Si colocamos un recipiente con agua en la estufa,

las moléculas de las capas inferiores de agua se calientan disminuyendo su densidad,

y siendo más livianas ascienden a la superficie dejando su lugar a las capas frías

De este modo se establecen flujos de agua caliente hacia arriba,

transmitiéndose el calor por CONVECCIÓN

Las moléculas calientes del agua suben y dejan su lugar a las moléculas frías que bajan

En el diagrama

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FÍSICA

líquido

Los líquidos y los gases se calientan principalmente por convección

POR RADIACIÓN La superficie de nuestro planeta se calienta con la energía que viene del Sol

y comprobándose que entre la Tierra y el Sol,

más allá de la atmósfera,

entendemos que la energía que viene del Sol se propaga a través del vacío,

a tal transmisión se denomina RADIACIÓN y sucede por medio de ondas electromagnéticas

La enorme cantidad de calor recibida en la Tierra es transportada por ondas electromagnéticas

También se usa un múltiplo

la gran caloría o kilocaloría

su símbolo es Kcal o también se representa con Cal (con C mayúscula)

En el sistema internacional

la unidad de calor de uso más frecuente es la caloría

CALOR ESPECÍFICO (c) : También es llamada capacidad calorífica específica

Todos sabemos que el agua caliente demora en enfriarse,

mientras que un trozo caliente de hierro se enfría rápidamente,

así también se sabe que toma más tiempo calentar el agua que calentar un trozo de hierro

Las sustancias que demoran en ser calentadas

El sol irradia ondas electromagnéticas

Cuando nos acercamos a una fogata,

el calor que llega hasta nosotros se transfiere por radiación

Cada sustancia tiene su respectiva capacidad de calentarse o enfriarse,

esta cualidad se mide con el calor específico de la sustancia

Si para cambiar en T la temperatura de una masa m de una sustancia se le tiene que suministrar una cantidad de calor Q,

Q m T

De la definición anterior se puede concebir que: El calor específico es la cantidad de calor requerida para aumentar,

Todos los objetos están continuamente emitiendo energía radiante

A bajas temperaturas,

la tasa de emisión es pequeña,

pero se incrementa rápidamente con un aumento de temperatura

La transmisión de calor por radiación es el proceso a través del cual el calor se transfiere a través de ondas electromagnéticas

Sucede también a través del vacío

De la definición del calor específico,

deducimos la ecuación que calcula la cantidad de calor (Q) suministrada a una masa (m) para que su temperatura varíe en T:

Q  mc T 3

UNIDADES DE LA CANTIDAD DE CALOR 3

1 S4FI32B

las unidades comúnmente usadas son :

LA CALORÍA (cal) : Se define como la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de un gramo de agua en 1°C

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Sustancia Alcohol etílico Mercurio Agua : Hielo Líquido Vapor Cuerpo humano

-1202cal

-1200cal

EJERCICIOS PROPUESTOS Nº 02 01

La masa de una lata de aluminio (c=0,22 cal/gºC) es de 100g

Halle el calor que se requiere para calentar la lata de manera que su temperatura se eleva en 20ºC

¿Que masa de aluminio (c=0,22 cal/gºC) a 100ºC debe añadirse a 220g de agua a 10ºC,

manera que la temperatura de equilibrio sea de 40ºC

Si queremos medir la temperatura del agua caliente de una taza,

colocamos el termómetro (frío) y lo que en realidad mide el termómetro,

es la temperatura de la mezcla: agua – termómetro

Un perno de acero (c=0,11cla/gºC)de 60g se enfría hasta una temperatura de 22ºC,

perdiendo 660 cal en el proceso

¿Cuál es la temperatura inicial del perno

EQUILIBRIO TERMICO (Temperatura de una mezcla) Cuando mezclamos una sustancia caliente con otra que está fría,

se observará que la primera se enfría,

la segunda se va calentando hasta que la temperatura en todo el sistema se hace uniforme,

ésta es llamada temperatura de equilibrio o temperatura de la mezcla

En un vaso de vidrio de 300g hay 100cm3 de agua a 20ºC

Halle el calor que se requiere para calentar el conjunto hasta los 60ºC

El calor específico del vidrio es de 0,02 cal/ºC

c(cal/g °C) 0,22 0,093 0,020 0,11 0,031 0,21 0,056

Aluminio Cobre Vidrio Hierro o Acero Plomo Mármol Plata

FÍSICA

-1222cal

Calores específicos de algunas sustancias Sustancia

Una billa de acero de 50g está a 20ºC

¿Hasta qué temperatura se calentará si recibe 220cal

? El calor específico del acero es de 0,11 cal/gºC

a) 40º b) 60ºC c) 80ºC d) 100ºC e) 120ºC 03

Una placa de vidrio de 0,5kg se enfría lentamente de 80ºC a 30ºC

¿Cuanto calor libera la placa

El valor específico del vidrio es de 0,02cal/gºC

Un termómetro debe ser lo bastante pequeño para no alterar de manera apreciable la temperatura de la sustancia por medir

De acuerdo con la conservación de la energía,

el calor que gana el cuerpo frío debe ser igual al calor perdido por el cuerpo caliente

Cuando una pieza de metal de 60g,

recibe 540cal su temperatura se eleva en 45ºC

Halle el calor específico de este metal,

Calor ganado = Calor perdido 05

Cuarenta gramos de agua deben ser calentadas desde 20ºC hasta 80ºC

¿Cuántas calorías serán necesarias

¿Cuanto calor necesitas para elevar 15ºC la temperatura de 100kg de agua para tu baño

¿Qué cantidad de calor se liberará cuando 200g de cobre se enfría de 90ºC hasta 20ºC

el calor específico del cobre es de 0,093 cal/gºC

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Un recipiente de aluminio de 300g contiene 200g de agua a 20ºC

¿Qué calor se requiere para calentar hasta 30ºC el recipiente con el agua

? El calor específico del aluminio es 0,22 cal/gºC a) 660cal

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Dos litros de agua a 20ºC se mezclan con 3 litros de agua a 30ºC

¿Qué temperatura de equilibrio alcanzará la mezcla

Una taza de metal de 200g de masa 3 está a 20ºC

en ella se coloca 300g de agua a 80ºC lográndose una temperatura de equilibrio de 70ºC

Calcule el calor específico del metal,

¿Qué calor se libera al frenar,

un pequeño coche de 400kg cuya rapidez es de 10m/s

Si al caer una manzana de 100g,

la energía potencial se transforma en calor,

¿Cuántas calorías se producirá

Una mezcla de agua y aceite esta a 10ºC y contienen 15g de agua y 20g de aceite

¿Qué calor se requiere para calentar la mezcla hasta los 30ºC

? el calor especifico de este aceite es de 0,6 cal/gºC

Una pieza de acero (c=0,11cal/gºC) de 500g se extrae de un horno a 250ºC,

Halle la temperatura del medio ambiente

Cuando un trozo de metal recibe cierta cantidad e calor,

su temperatura se eleva en 8ºC

si la cantidad de calor se duplica y la masa del metal se reduce en la tercera parte,

la temperatura se elevará en: a) 8ºC

Halle la temperatura de equilibrio,

que resulta de mezclar 40g de agua a 20ºC con 60g de agua hirviendo

La temperatura de equilibrio es 25,8ºC

Hállese el calor especifico del mercurio en cal/gºC

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FÍSICA

Un recipiente que no absorve calor contiene 180g de agua 27ºC

en el se introduce un trozo de latón de 0,5kg,

que ha sido extraído de un horno a 104ºC

¿Cuál será la temperatura de equilibrio

El calor especifico del latón es 0,06cal/gºC

Un calorímetro de aluminio,

Se introduce una pieza de plomo de 1kg a 100ºC

Calcule la temperatura de equilibrio

Calor especifico del aluminio: 0,22 cal /gºC Calor especifico del plomo: 0,32 cal /gºC a) 20,4ºC

La masa de una bola de acero es de 1kg,

impacta en el suelo con una velocidad de 10m/s y rebota con 6m/s

¿Qué cantidad de “calor” se produce

Una gran roca de mármol (c = 0,2cal/gºC) de 200kg,

cae verticalmente de una altura de 150m y choca con el terreno

Calcule el aumento de la temperatura de la roca si permanece en ella el 50% del calor generado

G=10m/s2 a) 0,40ºC

Cantidades iguales de calor se agregan a masas iguales de aceite y agua

La temperatura del agua se eleva en 10ºC y la del aceite en 15ºC

Halle el calor especifico de esta calidad de aceite,

TAREA DOMICILIARIA 01

Se agregan 300g de municiones de acero a 90ºC a una cantidad desconocida de agua inicialmente a 20ºC

¿Cuál es la masa de agua si la temperatura de equilibrio es 30ºC

Para el acero c= 0,11cal/gºC 02

Se calienta 150g de una aleación hasta 560ºC

A continuación se coloca en 400g de agua a 10ºC,

dentro de un calorímetro de aluminio (c=0,22cal/gºC) de 200g

la temperatura final de la mezcla es 60ºC

Calcule el calor específico de la aleación

¿Qué calor produce en el coche,

una masa de barro de 2kg que cae desde una altura de 2,5m

Una bala de fusíl de 200g impacta en un saco de arena con una velocidad de 60m/s

Halle el calor que se desprende debido a la fricción entre la bala y la arena

¿Desde qué altura habrá que dejar un trozo de plomo de 10 g(c=0,031cal/gºC),

por motivo de choque con el piso,

su temperatura se eleve en 2ºC

Considere que el plomo no rebota y que absorve todo el calor generado

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FÍSICA

Lo mismo sucederá con un tubo de hielo

y colocando agua en la nevera se congelará (solidificará) también a 0ºC

la temperatura de fusión (TF es ) igual a la temperatura de solidificación (TS )

A la presión de una atmósfera (nivel del mar) el hielo se funde a 0ºC y también se solidifica a 0ºC

A una determinada presión,

la mayoría de la sustancias funden (derriten) a una determinada temperatura: punto de fusión,

Temperaturas o punto de fusión de algunas sustancias: Mercurio …………………………………………………………………

3370ºC

CAMBIO DE FASE 1

CAMBIO DE FASE Las sustancias que nos rodean se presentan normalmente en tres fases (estados): sólido,

Líquido y gaseoso

Estas sustancias pueden cambiar de una fase a otra

Por ejemplo,

si a un cubo de hielo le suministramos suficiente calor,

el hielo funde transformándose al estado líquido: agua

Si seguimos añadiendo calor,

el agua hervirá y se convertirá en vapor

Los cambios de fase reciben nombres especiales:

FUSION SOLIDO

SOLIDIFICACION

Calor Latente de Fusión (LF) Si se observa el termómetro,

mientras dura la fusión del plomo,

veremos que la temperatura permanece en 327ºC

lo mismo sucede si empleamos cubitos de hielo: mientras que todo el hielo no se haya fundido el termómetro siempre indicará 0ºC

LIQUIDO Q

SUBLIMACION

CONDENSACIÓN SUBLIMACION REGRESIVA VAPORIZACION La cubeta con hielo absorve calor del medio ambiente,

pero mientras dura la fusión la temperatura permanece en 0ºC

FUSION Y SOLIDIFICACIÓN 2

Punto de Fusión o Temperatura de Fusión Si calentamos gradualmente un trozo de plomo se observará que en cierto momento comienza a fundirse (derretirse)

midiendo la temperatura en ese momento comprobaremos que la temperatura,

Podemos seguir calentando,

derretirse todo el plomo y elevar la temperatura hasta 400ºC o más

Si dejamos enfriar el plomo fundido,

si se mide la temperatura de solidificación se encontrará que la temperatura vuelve a ser 327ºC

si repetimos la experiencia sucederá lo mismo

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Todos los cambios de fase

se realizan suministrando energía,

cuya acción consiste en separar las moléculas de las sustancia que va a cambiar de fase

El calor que requiere una unidad masa

Para pasar de sólido a líquido,

se denomina calor latente de fusión (LF) En forma de Ecuación sera: S4FI32B

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FÍSICA

Q: Calor sumistrado m: masa que cambia la fase A mayor superficie,

será la rapidez de evaporación

En el caso de hielo

Para derretir un gramo de hielo,

Cuando calentamos un líquido,

la rapidez de sus moléculas aumenta,

aumentará también la rapidez de evaporación

Para el hielo: LF=80cal/g Calores latentes de fusión de algunas sustancias: Plomo………………………………………………………………

A mayor temperatura,

mayor será la rapidez de evaporación

líquido caliente

PROBLEMA ¿Cuántas calorías se necesita para fundir 50g de hielo que ya están a 0ºC

? RESOLUCION:  Como el hielo ya está a 0ºC el calor para fundirlo será: Q=mLF =(50g)(80 cal/g) Q  4000 cal

VAPORIZACIÓN Y CONDESACION La vaporización es el proceso de transformación de un líquido en vapor,

se presenta en forma de evaporación y ebullición

Ebullición Si calentamos un líquido,

llegamos hasta una temperatura especial,

en la que se observa una formación rápida y tumultuosa de burbujas y vapor en toda la masa de líquido,

decimos que el líquido ha empezado a hervir o a ebullir

En la ebucllición la vaporización se produce en toda la masa

Evaporación Sucede a cualquier temperatura cuando alguna moléculas rápidas,

llegan a la superficie libre de líquido y logran escapar para formar la fase vapor

VAPOR LIQUIDO

La ebullición es un proceso rápido de vaporización,

y mientras sucede la temperatura (de ebullición) permanece constante

La evaporación sucede porque las moléculas veloces logran escapar del líquido

Cada líquido tiene su respectiva temperatura de ebullición 3

En un recipiente ancho,

las moléculas rápidas tiene mayor libertad para escapar del líquido

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líquido frío

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S4FI32B

Diferencias entre la Ebullición y La Evaporación  La ebullición sucede en toda la masa del líquido,

 La ebullición se da a una temperatura especial,

que depende de la presión y del tipo de líquido,

mientras que la evaporación se manifiesta a cualquier temperatura

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 La ebullición es una vaporización brusca,

FÍSICA

En una heladera se coloca 20g de agua a 20ºC y se obtienen cubitos de hielo a 0ºC

¿Qué cantidad de calor se le extrajo al agua

Calor latente de Vaporización (LV) Si colocamos el termómetro,

observamos que la temperatura se estabiliza en 100ºC

El agua hierve cuando la presión de su vapor saturado es igual a la presión exterior

Para que siga adelante la ebullición,

es necesario suministrar al líquido cierta cantidad de calor (Q)

-2015cal

-2000cal

-2002cal

Halle el calor suministrado a 40g de hielo que está a-10ºC,

El calor específico del hielo es 0,5 cal/gºC

¿Qué cantidad de calor se necesita para fundir 400g de cobre que están a la temperatura de fusión

? El calor latente de fusión del cobre 41cal/g a) 16100cal

En 480g de agua a 20ºC se coloca 60g de hielo que está a 0ºC

Halle la temperatura de equilibrio de la mezcla

El calor latente de vaporización (LV) de un líquido es el calor por unidad de masa que se requiere para cambiar la sustancia de líquido a vapor

en su temperatura de ebullición

S4FI32B

“El nuevo símbolo de una buena educación

¿Qué calor se requiere para derretir 5g de hielo cuya temperatura es

El calor específico del hielo es 0,5cal/gºC

Se quiere vaporizar 10g de agua que está a la temperatura ambiente de 20º

Calcular el calor necesario

Una vez que el agua empieza a hervir,

¿Qué cantidad de calor se debe suministrar para vaporizar 50g de agua

¿Qué cantidad de calor se necesita para vaporizar 8g de agua que están a 100ºC

PRÁCTICA DE CLASE

¿De una nevera se extrae 30g de hielo a 0ºC

Halle el calor necesario para derretido,

LV  540 cal / g

EJERCICIOS PROPUESTOS Nº 03

Q: Calor suministrado m: masa que vaporiza

En el caso del agua,

para vaporizar un gramo de agua,

que está a 100ºC (punto de ebullición),

Para el agua:

En dos depósitos idénticos hay agua a diferente temperatura

¿En qué depósito la evaporación será mayor

En forma de ecuación será:

En una cacerola hay 2kg de agua a 20ºC

Halle las Kcal que se necesitan para vaporizar toda el agua

Considere que la cacerola no absorve calor

Determine el calor latente de fusión de una sustancia si para fundir 135g de la sustancia hacen falta 5,4kcal

S4FI32B

“El nuevo símbolo de una buena educación

COLEGIO DE CIENCIAS LORD KELVIN a) 10cal/g

Calcule la temperatura final cuando se mezcla 60g de agua hirviendo con 20g de hielo a 0ºC a) 50ºC

FÍSICA

En un litro de agua que está a 25ºC se echan 4 cubitos de hielo de50g cada uno,

¿Qué temperatura de equilibrio se obtiene

? El calor específico del hielo es de 0,5cal/gºC

¿Qué masa de hielo a 0ºC podemos fundir con 3520 cal

Una esfera de plomo (c=0,03cal/gºC) de 2 kg ha sido calentada hasta 160ºC,

halle la cantidad de hielo que se derrite cuando colocamos esta esfera en una cavidad practicada en un lago congelado a 0ºC

Para disminuir la temperatura de 300g de agua que está a 46ºC,

Calcule la temperatura final

Calcule la cantidad de calor que se requiere para que un gramo de hielo a 0ºC sea convertido a vapor a 100ºC,

En un plato de acero de 300g hay 20g de hielo a 0ºC,

determine el calor que suavemente se debe suministrar al conjunto para convertir a vapor el hielo

El calor específico del acero es 0,11cal/gºC a) 16,7kcal

Temperatura de fusión del plomo: 327ºC Calor latente de fusión del plomo: 5,5cal/g b) 6,25kcal

Halle la cantidad de agua que se vaporiza cuando a un litro de agua,

TAREA DOMICILIARIA 01

Un deposito de aluminio tiene una masa de 2kg y se encuentra a la temperatura ambiente de 20ºC,

en él se deja 88g de hielo a 0ºC

Calcule la temperatura de equilibrio

El calor específico del aluminio es 0,22cal/gºC

Una pieza de acero de 0,5kg se extrae de un horno de 240ººC y se coloca sobre un gran bloque de hielo a 0ºC

¿Qué masa de hielo se derrite

El calor específico del acero es 0,11cal/gºC

GASES IDEALES

¿Qué masa de hielo a 0ºC se debe agregar en 860g de agua a 18ºC para que la mezcla quede a 6ºC

¿Cuántos gramos de agua hirviendo se debe mezclar con 10g de hielo a 0ºC,

para obtener una temperatura de equilibrio de 40ºC

Calor específico del hielo

A 190g de limonada,

¿Cuánto de hielo a 0ºC,

se debe colocar para que se enfría hasta 15ºC

Calcule la cantidad de calor para que 20g de hielo a

¿Qué cantidad de hielo se derrite cuando un trozo de hierro de 2kg,

se coloca sobre un bloque grande de hielo que está a 0ºC

El calor específico del hierro es 0,11cal/gºC

Una muestra de plomo (c=0,003cal/gºC) está a la temperatura de 27ºC,

Halle el calor necesario para derretir toda la masa de plomo

¿Cuál es la máxima cantidad de hielo a 0ºC que se puede derretir en 0,4 litros de agua que están a 20ºC

“El nuevo símbolo de una buena educación

PRACTICA DE CLASE S4FI32B

“El nuevo símbolo de una buena educación

COLEGIO DE CIENCIAS LORD KELVIN

Un recipiente contiene O2 y está provisto de un pistón que permite variar la presión y el volumen del gas

La presión absoluta del O2 es 200 KPa y ocupa un volumen de 0,

Si el gas se comprime lentamente,

de modo que su temperatura no cambia hasta que la presión absoluta alcanza 100 KPa

Calcule el nuevo volumen del O2

Un recipiente contiene un volumen de 0,

Calentando el conjunto y dejando que el pistón se desplace libremente hasta que la temperatura sea de 87ª C,

¿Qué volumen final logrará este gas

El manómetro de un tanque de oxígeno registró 50 KPa a 50ª C

¿Cuáles son la presión y la temperatura absoluta del gas

FÍSICA

Si la temperatura de una masa de gas de 30 L'se mantiene constante mientras que su presión absoluta se incrementa de 400 a 1200 KPa

¿Cuál será el nuevo volumen

¿Qué volumen de aire a la presión atmosférica puede almacenarse en un tanque de 0,2 m3 que puede soportar una presión absoluta de 400 KPa

La presión absoluta en el interior de una llanta es de 190 KPa cuando la temperatura es de 17º C

Si en un viaje el aire en el interior de la llanta se calienta hasta los 23º C,

halle su nueva presión absoluta si se considera que el volumen de la llanta no varía

Halle la temperatura absoluta del espacio exterior si está aproximadamente a – 270º C

La presión manométrica de un gas en un recipiente cerrado es de 300 KPa cuando la temperatura es de – 23º C

Halle la presión manométrica cuando la temperatura sea 227º C

Cierto gas,

en un cilindro con pistón deslizable,

y a una presión absoluta de 400 KPa

Reduciendo la presión a 100 KPa,

¿Hasta qué temperatura se debe calentar el gas de modo que ocupe un volumen 8 veces mayor

Cinco litros de gas a una presión absoluta de 200 KPa y a una temperatura de 200 K se calientan uniformente hasta 500 K y la presión absoluta se reduce a 150 KPa

¿Qué volumen ocupará el gas en esas condiciones

La presión manométrica de un gas,

es de 540 KPa a la temperatura de 47º C

Determine los moles de gas en el recipiente cerrado

23 moles

59 moles

25 moles

63 moles

23 moles

EJERCICIOS PROPUESTOS Nº4 01

Cuatro metros cúbicos de gas a 27º C se calienta a presión constante

Si el volumen del gas aumenta a 6 m3

¿Cuál fue la temperatura final

“El nuevo símbolo de una buena educación

Cierta cantidad de hidrogeno se encuentra a la temperatura de 200 K y a la presión absoluta de 400 KPa

El gas se calienta hasta la temperatura de 500 K sin que varíe su volumen

Calcule la nueva presión absoluta

Una botella,

que contiene aire a la presión absoluta 400 KPa,

se pone en comunicación con otra botella,

de la cual se ha extraído el aire

Halle la presión absoluta que se establece en dichos recipientes

La temperatura es constante

Un contenedor de 6 L'contiene gas bajo una presión absoluta de 660 KPa y a una temperatura de 57º C

¿Cuál será la nueva presión si la misma muestra de gas se pone dentro de un contenedor de 3 L'a 7º C

Tres litros de gas a una temperatura absoluta de 200 KPa y a una temperatura de 27º C se calienta uniformemente hasta 67º,

y la presión absoluta se reduce a 150 KPa

¿Qué volumen ocupará el gas en esas condiciones

En un compartimiento la presión absoluta es de 831 KPa,

en le se encuentra 5 moles de gas a 7º C

Calcule el volumen del compartimiento,

S4FI32B

S4FI32B

“El nuevo símbolo de una buena educación

COLEGIO DE CIENCIAS LORD KELVIN

¿Qué volumen ocupa una mol de aire a la presión atmosférica normal en un día en que la temperatura del ambiente es de 27º C

FÍSICA

04 a) 1

Un gas ha comprimido,

desde un volumen de 8 L'hasta el volumen de 6 L

El aumento de presión ha sido de 40 KPa

Halle la presión absoluta inicial del gas

En el fondo de un largo,

en donde la presión absoluta es de 150 KPa,

¿Qué volumen tendrá está burbuja cuando llagado a la superficie del lago

¿Cuántas moles de aire hay en una habitación cuyas dimensiones son 8,

Calcule la temperatura del gas que se encuentra en un recipiente cerrado,

si la presión de dicho gas aumenta en un 0,

Al pasar una determinada masa de gas de un estado a otro,

su presión desminuye y la temperatura aumenta

¿Cómo varía su volumen

En un cilindro con tapa deslizable se encuentra cierta masa de gas a 200 K

Halle la nueva temperatura a la que se debe calentar el gas,

si la presión absoluta se deben duplicar y observar que el volumen del gas aumenta en un 10% de su volumen inicial

a) 240 K b) 340 K c) 440 K d) 540 K e) 640 K 18

Una llanta de automóvil es llenada a la presión manométrica de 200 KPa cuando la temperatura es de 27º C

Después de corre a alta velocidad la temperatura de la llanta se elevó a 35º C

Halle la nueva presión en la llanta registrada en el manómetro

Hasta que temperatura se debe calentar una botella abierta que está a 18º C,

para que expulse un cuarto de la masa de aire que contiene

“El nuevo símbolo de una buena educación

TRANSFORMACIÓN DEL TRABAJO EN CALOR: Si doblamos y desdoblamos repetidamente un alambre de hierro,

sentiremos que se va calentando paulatinamente a causa del trabajo realizado

El trabajo que hacemos se convierte en “calor” para elevar la temperatura del alambre

Con este ejemplo ilustramos que mediante el trabajo podemos calentar los objetos

Si me varíe la temperatura se agregan 2 moles más de aire a una botella,

observándose que la presión absoluta del aire en la botella aumenta en un 40% ¿Cuántos moles de aire contenía la botella

TERMODIN ÁMICA I

El trabajo,

puede ser transformado en “calor” En ciertos casos hasta el 100% de trabajo se puede transformar en “calor”

TRANSFORMACIÓN DEL CALOR EN TRABAJO: S4FI32B

“El nuevo símbolo de una buena educación

COLEGIO DE CIENCIAS LORD KELVIN

Para que el calor sea transformado en trabajo se necesita de cierta creatividad

El hombre ha hecho muchos esfuerzos para facilitar la transformación del calor en trabajo

FÍSICA

Para un gas ideal,

el estado termodinámico es una situación específica del gas definida por sus propiedades termodinámicas,

a) La presión absoluta (P) b) El volumen (V) c) La temperatura absoluta (T) P (T

Si entregamos calor al gas,

éste al calentarse se extenderá desplazando en “x” la tapa,

Mediante cierto proceso es posible transformar el calor en trabajo mecánico

Estas propiedades del gas ideal se relacionan con la ecuación de estado: PV  nRT

Según los experimentos y procesos empleados es imposible transformar todo el calor en trabajo

OBJETO DE LA TERMODINÁMICA: Con los ejemplos anteriormente ilustrados entendemos que el trabajo se puede transformar en calor,

el calor puede transformarse en trabajo,

La termodinámica es la ciencia que se encarga solamente del estudio de las transformaciones del calor en trabajo

P V T N R

SUSTANCIA DE TRABAJO: Cuando el calor es transformado en trabajo,

el calor es previamente entregado al gas

El gas,

la sustancia de trabajo que permite esta transformación

Las sustancias de trabajo que se emplean en un proceso termodinámico son:

: presión absoluta (N/m2) : volumen (m3) : temperatura absoluta (K) : moles de gases ideal (mol) : constante universal de losa gases ideales:

R 8,31

De la ecuación de estado PV = nRT obtenemos la ecuación general de los gases: PV  nR T

a) Vapor de agua b) Combustible c) Gases ideales

PV Constante T

En este capítulo nos encargaremos del estudio de la termodinámica de los gases ideales

GASES IDEALES O PERFECTOS:

PROCESO TERMODINÁMICO: Cuando un gas ideal es llevado desde un estado inicial (0) hasta un estado final (F) pasa por una secuencia de estados intermedios

Son aquellos gases en los cuales se tienen las siguientes consideraciones ideales: El proceso termodinámico viene a ser la secuencia de estados que sigue el gas,

desde un estado inicial hasta otro estado final

a) Sus moléculas tienen dimensiones propias despreciables

b) Sus moléculas no interactúan entre si

c) Sus moléculas chocan elásticamente contra alas paredes del recipiente

ESTADO TERMODINÁMICO: S4FI32B

“El nuevo símbolo de una buena educación

S4FI32B

“El nuevo símbolo de una buena educación

COLEGIO DE CIENCIAS LORD KELVIN

FÍSICA

VF T : constante

Proceso termodinámico desde O hasta F

En cualquier proceso termodinámico se puede usar la ecuación general de los gases:

En el plano P-V el proceso isotérmico se representa mediante una hipérbola equilátera

P V P V  F F T TF

PROCESO ADIABÁTICO: En este proceso

el gas no recibe ni cede calor al medio ambiente

Existe una gran cantidad de procesos termodinámicos,

pero los más importantes son: P

PROCESO ISÓCORO O ISOMÉTRICO: Es aquella secuencia de estados en la cual el volumen del gas permanece constante

En el plano P_V,

el proceso adiabático es semejante a una isotérma,

V : constante

En el plano P-V el proceso Isócoro se representa con una recta vertical

PROCESO ISOBÁRICO: Es aquel proceso en el cual la presión del gas permanece constante

TRABAJO DE UN GAS: En el diagrama se muestra un gas ideal encerrado en un cilindro con pistón (tapa) móvil

Si calentamos el gas encerrado veremos que se dilata desplazando y realizando trabajo sobre el pistón

VF P : constante

En el plano P-V,

el proceso isobárico se representa con una recta horizontal

PROCESO ISOTÉRMICO: Este proceso se caracteriza porque la temperatura del gas permanece constante

P P P P P

El trabajo que el gas ejerce sobre el pistón se debe a: a) La presión del gas (P) sobre el pistón

b) Cambio de volumen (V) del gas

CALCULO DEL TRABAJO DEL GAS: La forma más sencilla para calcular el trabajo de un gas es conociendo el proceso en el plano P-V

S4FI32B

“El nuevo símbolo de una buena educación

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COLEGIO DE CIENCIAS LORD KELVIN

En el plano P-V,

el trabajo que produce un gas,

es igual al área (A) debajo del proceso

FÍSICA

TRABAJO DE UNGAS EN EL PROCESO ISOTÉRMICO: En el diagrama P-V el proceso isotérmico se representa mediante una hipérbola

El trabajo del gas equivale al área debajo de la hipérbola

P proceso

El área que se forma debajo de la hipérbola no se puede calcular con la geometría elemental (observe que un lado es una curva),

este tipo de área se calcula con la matemática diferencial e integral

Por esta razón,

escribiremos directamente la fórmula

Trabajo = Área debajo de la hipérbola V  W  nRT n  F   V   

En cualquier proceso termodinámico se cumple que: Trabajo = Área W=A

TRABAJO DE UN GAS EN EL PROCESO ISÓCORO: En un diagrama P-V,

el proceso isócoro se presenta mediante un proceso vertical y vemos que no hay área debajo del proceso OF

R : constante universal de los gases ideales T : temperatura absoluta del gas VF : volumen final del gas

Vo : volumen inicial del gas  n : logaritmo neperiano

En un proceso ISÖCORO,

por no haber variación de volumen

TRABAJO DE UNGAS EN EL PROCESO ISOBÁRICO: En un diagrama P-V,

el proceso isobárico se representa mediante una recta horizontal

Caltex v CA & Security Bank and Trust Company

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