MATERIA Y ENERGÍA

1. En el Gabinete de Física de la Faud se realiza un ensayo de materiales, para determinar la cantidad de calor que hay que entregarle a masas iguales de dos sustancias distintas y hacer una comparación. Se toman 3 kg de agua y 3 kg de hierro, ambos a una temperatura de 20 ºC y se los calienta a 100 ºC. ¿A qué conclusión se llegará, aproximadamente, si el Ce del hierro = 0,1 Kcal / Kg x ºC y el Ce del agua = 1 Kcal / Kg x ºC?

Qagua = Ce x m x ∆t = 1 Kcal / ( Kg x ºC ) x 3 Kg x (100 ºC – 20 ºC) = 240 Kcal

Qhierro = Ce x m x ∆t = 0,1 Kcal / ( Kg x ºC) x 3 Kg x (100 ºC – 20 ºC) = 24 Kcal

Rta: La cantidad de calor que hay que entregarle al agua es 10 veces mayor.

2. Se diseña un fusionador que debe cambiar de estado 50 g de agua congelada a - 30 ºC, convirtiéndola en agua líquida a 0 ºC. ¿Qué cantidad de calor debe aportar? Ce del hielo= 0,5 cal / g x ºC; Ce del agua = 1 cal / g x ºC.Calor latente del hielo = 80 cal / g.

Qfase hielo + Q latente = Cefhielo x m x ∆t + Clatente x m =

= 0,5 cal / g x ºC x 50 g x 30 ºC + 80 cal / g x 50 g = 4750 cal

Rta: 4750 cal.

3. Se diseña un dispositivo para la caja de un ascensor. Se sabe que la masa del mismo es de 7g y está realizado en aluminio. Si en funcionamiento absorbe 170 cal ¿Cuál será la variación de temperatura que experimentará el dispositivo? Ce del aluminio = 0,220 cal / g x ºC

Q = Ce x m x ∆t ∆t = Q / Ce x m = 170 cal / 0,220 cal / g x ºC x 7g = 110.3 ºC

Rta: Δt = 110, 3 ºC.

4. Diseñadores han producido un elemento para ser utilizado en la construcción de edificios. Éste está compuesto por un hilo de cobre, cuyo coeficiente de dilatación es 0,0000177 1 / ºC. El hilo de cobre estará expuesto al sol y se calcula que se calentará, por esta exposición, a 35 ºC. Si a 0 ºC su longitud era de 1400 m ¿Cuanto medirá después de esta exposición solar?

lf = lo (1 + λ t ) (Longitud final, nueva longitud total de la pieza) =

= 1400 m ( 1 + 0,0000177 1 / ºC x 35 ºC ) = 1400,8673 m

Rta: 1400, 8673 m

5. Se ejecutó una losa de hormigón y se cubrió de agua. Al día siguiente, después de una noche a una temperatura de -5 °C, se observó que había empezado a solidificarse la parte superior del agua, mientras en contacto con la losa quedaba agua líquida (es el principio de la congelación de los lagos). ¿Por qué ocurre ello? ¿Qué relación tiene el concepto que surge de este fenómeno físico con alguna temática de tu carrera, ya sea Arquitectura o Diseño Industrial? Explica.

Debe mencionar que el agua a 4 ºC es más densa que el hielo, que el hormigón, por consiguiente, en ningún momento desciende su temperatura por debajo de esos 4 ºC, que esto tiene relación con los “techos de agua”, con la problemática del congelamiento de cañerías, de radiadores de automóviles, de sistemas de enfriamiento en invierno, etc.

6. En la industria de las utilidades gastronómicas se fabrican ollas a presión. La ventaja de éstas es que pueden cocinar los alimentos en menor tiempo. ¿Cuál es el fenómeno físico que aprovecha este objeto de diseño industrial? ¿Qué relación tiene el concepto que surge de esta solución con alguna temática de tu carrera, ya sea Arquitectura o Diseño industrial? Explica.

La Ley de Boyle-Mariotte es una de las leyes de los gases ideales que relaciona el

volumen y la presión de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura

constante, y dice que el volumen (V) es inversamente proporcional a la presión (P):

P.V = k, donde k es constante si la temperatura y la masa del gas permanecen

constantes. Es decir, P = k / VCuando aumenta la presión, el volumen disminuye,

mientras que si la presión disminuye el volumen aumenta. El valor exacto de la

constante k no es necesario conocerlo para poder hacer uso de esta ley; si

consideramos las dos situaciones de la figura, manteniendo constante la cantidad de

gas y la temperatura, deberá cumplirse la relación:

Por consiguiente, en un recipiente cerrado, cuando aumenta la temperatura la presión también aumenta. Esto se aprovecha en la olla a presión, pero es un problema a resolver en sistemas de calentamiento de agua, en neumáticos de automóviles, en motores de combustión interna, etc.

7. En una construcción de hormigón, se debe dejar un espacio tridimensional para insertar un bloque de fundición de 8cm x 12cm x 7cm que estará sometido a cambios de temperatura desde 15ºC a 47ºC. Para ello es necesario calcular la variación de volumen que experimentará éste cuando modifique su temperatura, para determinar espacios de dilatación en el hormigón Coef de Dilat. De la fundición 0,0001 1/ºC

Volumen inicial = 8cm x 12cm x 7cm = 672 cm3 Vf ≈ Vo (1 + 3 λ . t ) = (Volumen final, siendo Vo el volumen inicial) =

= 672 cm3 ( 1 + 3 x 0,0001 1 / ºC x 47 ºC 15 ºC ) =

= 672 cm3 ( 1 + 3 x 0,0001 1 / ºC x 32 ºC ) = 678,4512 cm3

Variación de volumen = Vf – Vo = 678,4512 cm3 – 672 cm3 = 6, 451 cm3

Rta: 6,451 cm3

8. Marque la o las respuestas correctas:Si un gas está encerrado en una garrafa a cierta temperatura, ¿qué sucede?...

a) Si aumenta la temperatura, la presión del gas disminuye.b) Si el mismo gas se coloca en una garrafa de mayor volumen, sin variar la temperatura, la presión del gas será mayor.c) Si el mismo gas se coloca en una garrafa de menor volumen, sin variar la temperatura, la presión del gas será la misma.d) Si disminuye la temperatura, la presión del gas disminuye.9. Responda con Verdadero o Falso las siguientes afirmaciones:

Cuanto mayor es el volumen de un cuerpo sumergido, mayor es el empuje de abajo hacia arriba que ejerce el líquido sobre él____V_________

Si colocamos un objeto en una balanza y lo pesamos, luego sumergimos el objeto en un líquido y realizamos una segunda medición del peso (estando sumergido), la segunda medición indicara un valor numérico más grande que la primera ____F______

La presión interna en un líquido es mayor cuanto mayor es el peso especifico del liquido ______V______

Para obtener mayor presión en la base de un tanque de agua cilíndrico, debemos remplazarlo por otro tanque de igual altura y diámetro mayor ____F____

10. En una charla de amigos, uno diseñador Industrial y otro arquitecto, discuten lo siguiente: ¿Dónde es mayor la presión? ¿En el fondo de una bañera que acaba de colocar en una obra el arquitecto, llena de agua hasta una profundidad de 30cm, o en el fondo de una jarra que está diseñando el diseñador industrial, llena de agua hasta los 35cm? ¿A qué conclusión llegan? Explique y justifique. Grafique ambas situaciones de manera esquemática.

Debe mencionar la relación directa entre presión en un punto del seno de un líquido y su distancia o altura hasta la superficie libre.

11. Un albañil desea hacer una marca en la parte posterior de un edificio a la misma altura que la de los tabiques que ya ha colocado en la parte anterior ¿Cómo podría determinar la misma altura valiéndose únicamente de una manguera transparente y agua? Explique y grafique.

Debe mencionar vasos comunicantes y tener cuidado con las diferencias de presión entre ambientes.

12. En una pileta de natación que se ha construido, determinar: ¿Cómo son las presiones ejercidas por el agua en las paredes y en el fondo de la misma, y en un punto cualquiera de la masa líquida? Explique y grafiqueIdem problema 10

13. Se diseña una prensa hidráulica cuyos émbolos tienen radios de 10 cm y 50 cm respectivamente. ¿Qué fuerza ejercerá el émbolo mayor si sobre el menor actúa una de 30 N?

Si p = F / S , y S1 = π r2 = 3,14 ( 10 cm ) 2 = 314 cm2

S2 = π r2 = 3,14 ( 50 cm ) 2 = 7850 cm2

Si p1 = p2, entonces F1 / S1 = F2 / S2 y por tanto F2 = F1 x S2 / S1.

F2 = F1 x S2 / S1 = 30 N x 7850 cm2 / 314 cm2 = 750 N

Rta: 750 N

14. En una edificación, se debe calcular el caudal de agua que sale por una canilla de 0,5 cm de radio si la velocidad de salida es de 30 m/s.

En un segundo salen 30 metros (3000 cm) lineales de un cilindro de agua cuyo radio es 0,5 cm.

Luego: Volumen = Sup base x longitud = π x r2 longitud =

= 3,14 (0,5 cm) 2 x 3000 cm = 2355 cm3

De lo que deducimos que el caudal es 2355 cm3 / s

Rta: 2355 cm³ / s

Otra forma de resolverlo: Q = S.V, siendo S = π (0,5 cm) 2 y V = velocidad

Q = 0,7854 cm2 x 3000 cm / s = 2355 cm3 / s

15. En una tubería de una fábrica el caudal de una corriente estacionaria de gas es de 600 litros por minuto. Las secciones de la tubería son de 5 cm ² y 12 cm ². Calcule la velocidad de la corriente en cada sección.

Volumen = 600 litros = 600000 cm3 (que pasan en un minuto) La longitud de un cilindro de 600000 cm3 y 5 cm2 de base es = 600000 cm3 / 5 cm2 = 120000 cm (que pasan en un minuto). La longitud de un cilindro de 600000 cm3 y 12 cm2 de base es = 600000 cm3 / 12 cm2 = 50000 cm (que pasan en un minuto).

Luego, la velocidad de la corriente en la sección de 5 cm2 es 120000 cm / min, o sea

120000 cm / 60 seg. = 2000 cm / seg.

Y la velocidad de la corriente en la sección de 12 cm2 es 50000 cm / min o sea

50000 cm / 60 seg. = 833,34 cm / seg.

Rta: 2000 cm/s y 833,34 cm / s

Otra forma de resolverlo:

Q = 600 l / min , luego Q = 600000 cm3 / 60 s = 10000 cm3 / s

V = Q / S , luego V1 = 10000 cm3 / s / 5 cm2 = 2000 cm / s

V2 = 10000 cm3 / s / 12 cm2 = 833,33 cm / s

16. Por error se derrama combustible en una construcción y éste arde. Determine qué transformación energética se está produciendo:

Marque la transformación correcta.

a) Energía Mecánica en energía térmica.b) Energía Química en energía térmica.c) Energía Radiante en energía térmica.d) Energía Térmica en energía radiante.

17. Convertir 300 l / min en cm³ / s. Desarrolle.

300 l / min = 300 l x 1000 cm3 / l / 1 min. x 60 seg./ min. =

300000 cm3 / 60 seg = 5000 cm3 / seg.

Respuesta: 5000 cm³ / s

18. En días de mucha humedad, en cerramientos de automóviles y de edificaciones vidriadas, habrá observado que éstos se mojan. ¿Cuál es el motivo de este fenómeno físico, cómo resolvería este problema? Explique y de solución.

Debe mencionar el fenómeno de la condensación de gases sobre superficies en base al punto de rocío o condiciones ambientales, soluciones en base a doble vidrio hermético, corrientes de aire seco y frío.

19. Este enunciado a qué ley de la neumostática responde y explique:

“A temperaturas constantes, los volúmenes de una misma masa gaseosa son inversamente proporcionales a las presiones que soportan”

La Ley de Boyle-Mariotte es una de las leyes de los gases ideales que relaciona el

volumen y la presión de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura

constante, y dice que el volumen (V) es inversamente proporcional a la presión (P):

P.V = k, donde k es constante si la temperatura y la masa del gas permanecen

constantes. Es decir, P = k / V

Cuando aumenta la presión, el volumen disminuye, mientras que si la presión

disminuye el volumen aumenta. El valor exacto de la constante k no es necesario

conocerlo para poder hacer uso de esta ley; si consideramos las dos situaciones de

la figura, manteniendo constante la cantidad de gas y la temperatura, deberá

cumplirse la relación:

20. Explique la causa por la que comúnmente se utilizan sopapas para destrancar cañerías cloacales tapadas. ¿Qué fenómeno físico se utiliza en esta acción?

Debe mencionar el fenómeno de los vasos comunicantes, que la presión o depresión en un punto de una cañería hermética se traslada a otro punto de ella…