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FISICA–4AÑO

4 FÍSICA

Profesor: Robert André Vega Catón

I BIMESTRE

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FISICA–4AÑO

Tabla de contenido SESIÒN 01: .................................................................................................................................................................... 3

SITUACION 01: JUNTAS DE TREN .................................................................................................................................. 3 dilataciòn tèrmica ............................................................................................................................................. 3 dilatacion lineal .................................................................................................................................................. 3 ejercicios de aplicacion ................................................................................................................................... 3

SESIÒN 02: .................................................................................................................................................................... 5 dilatacion superficial .......................................................................................................................................... 5 ejercicios de aplicaciòn ..................................................................................................................................... 5

SESIÒN 03: .................................................................................................................................................................... 7 dilatacion volumetrica ..................................................................................................................................... 7 ejercicios de aplicaciòn ..................................................................................................................................... 7 aplico lo aprendido ........................................................................................................................................... 8

SESIÒN 04: .................................................................................................................................................................... 9

SITUACION 02: CALOR SOLAR ........................................................................................................................................ 9 calorimetria ...................................................................................................................................................... 10 transferencia de calor ................................................................................................................................... 10 calor especifico .............................................................................................................................................. 11 equilibrio termico ............................................................................................................................................ 12 ejercicios de aplicaciòn ................................................................................................................................... 12

SESIÒN 05: .................................................................................................................................................................. 14 cambio de fase ............................................................................................................................................... 14 calor latente ..................................................................................................................................................... 15 vaporizacion y condensacion ....................................................................................................................... 16 ejercicios de aplicacion .................................................................................................................................. 17

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FÍSICA–4AÑOSituación 01: juntas de tren Constantinito es un ingeniero civil que se le ha dado el trabajo de dirigir la construcción de las vías para un tren. Para esto debe tener en cuenta las juntas de dilatación en los rieles.

Si para el material que están utilizando se debe dejar 3cm de junta de dilatación y por error constantinito solo dejo 2cm. ¿Qué ocurrirá con esas vías en la época de verano? SESIÓN 1 DILATACIÓN TÉRMICA Cuando un cuerpo es calentado, a medida que aumenta la temperatura, aumentará también la agitación de sus moléculas, vibrando con más intensidad. 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.

1. DILATACIÓN LINEAL (rL): Un cambio en una dimensión de un sólido se llama dilatación lineal. Experimentalmente se encuentra que la dilatación lineal depende de:

a) La longitud inicial (L0) b) El cambio de temperatura (rT)

Esta dependencia puede expresarse mediante la siguiente ecuación:

Donde a es una constante de proporcionalidad llamada coeficiente de dilatación lineal.

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

LF - L0 =aL0rT LF = L0 +aL0rT

EJERCICIOS DE APLICACIÓN

1. Una barra de 400m y aL = 10-3 es calentada y elevada su temperatura en 20°C. ¿En cuánto aumenta su longitud? a) 4m b) 6 c) 8 d) 10 e) N.A. 2. Una regla metálica de 100m de longitud y hecha de aluminio, es calentada y eleva su temperatura en 50°C. Hallar la variación en su longitud (aAL= 2.10–3) a) 5m b) 10 c) 15 d) 20 e) NA 3. Se tiene un alambre de cobre de 100m de longitud a 0°C, ¿ qué longitud poseerá a 100°C? (α= 17u°C-1 ) a) 100,18m b) 100,16m c) 100,22m d) 100.17m e) 100,32m

To

Lo

LF

TF

Lr

TLL D=D 0a

TLLDD

=0

a

)1(0 TLLF D+= a

Objeto frío Objeto caliente

los cuerpos se dilatan por el aumentode la agitación

IBIMESTRE

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4. Una barra que mide 100m y esta a 4ºC. ¿Cuánto medirá si la calentamos hasta la temperatura de 140ºC? Considere: a = 8.10-5 a) 107,2m b) 100,8 c) 100,2 d) 161,2 e) N.A. 5. Una barra que mide 50m a la temperatura de 2ºC. ¿A qué temperatura final habrá de ser calentada para que se dilate 5m? a) 15ºC b) 52 c) 60 d) 100 e) N.A. 6. Una barra que mide 10m a la temperatura de 4ºC, ¿a qué temperatura final habrá de ser calentada para que se dilate 12m? Considere: a = 5.10-4 a) 240ºC b) 304 c) 404 d) 200 e) N.A. 7. Una barra de 400m y aL = 10-3 es calentada y elevada su temperatura en 20ºC. ¿En cuánto aumenta su longitud? a) 4m b) 6 c) 8 d) 10 e) N.A. 8. Una barra de metal de longitud 10m experimenta un incremento de 40cm en su longitud, al ser calentada en 10ºC. ¿Cuál es el “a” de dicho metal? a) 10-3 b) 2 . 10-3 c) 3 . 10-3 d) 4 . 10-3 e) N.A 9. Un alambre de cobre medía 10cm pero luego de ser calentado, su longitud aumenta a 10,5cm. ¿A cuántos grados celsius se le habrá calentado? (aCu = 5.10–3) a) 5°C b) 10 c) 15 d) 20 e) N.A. 10. Un alambre mide 2m y su aL= 5.10–3. Si el alambre actualmente está a 10°C, ¿hasta qué temperatura final habría que llevarlo para que su nueva longitud sea de 2,5m? a) 40°C b) 50 c) 60 d) 70 e) N.A.

11. Un alambre de 1m se dilata en 2mm. Cuando su temperatura se incrementa en 100°C. ¿Cuál es su a? a) 10–5 b) 2.10–5 c) 3.10–5 d) 4.10–5 e) NA 12. Se tiene un alambre de cobre de 100m de longitud a 0°C. ¿Qué longitud poseerá a 100°C? . aCu = 16.10–6 a) 100,1m b) 100,15m c) 100,16 d) 100,2 e) NA 13. Se midieron 500m de alambre de aluminio y la misma longitud de alambre de aluminio y la misma longitud de alambre de acero a 0°C. ¿Cuál será la diferencia entre las longitudes a 0°C ¿Cuál será de diferencia entre las longitudes de los alambres a 100°C? αAl = 2,3x10-5 °C-1 , αAc = 1,2x10-5 °C-

a) 0,50 m b) 0,55 m c) 0,65 m d) 0,75 m e) 0,80 m

14. Se construye un puente como muestra la figura, si : a = 2.10-4 . ¿Qué espacio “x” hay que dejar en el extremo derecho para que no haya problemas con la dilatación?. Se sabe que entre verano e invierno la temperatura varía en 50ºC?. a) 4cm

b) 5

c) 10

d) 15

e) N.A.

15. Dos barras de longitudes L1 y L2 cuyos coeficientes de dilatación térmica son respectivamente: a1 = 3.10-6 ºC-1 y a2 = 6.10-

6 ºC-1 ¿Cuáles son los valores de L1 y L2 respectivamente, en cm para qué su diferencia de longitudes sea igual a 9 cm a cualquier temperatura? a) 26 y 13 b) 20 y 10 c) 18 y 9 d) 25 y 35 e) 30 y 40

L0 =5m x

5

FÍSICA–4AÑO16. Dos rectas paralelas representan las dilataciones de dos barras A y B si aA = 12.10-

6 ºC-1. Hallar aB.

a) 24 x 10-5 ºC-1 b) 28 x 10-5 ºC-1 c) 32 x 10-5 ºC-1 d) 36 x 10-5 ºC-1 e) 40 x 10-5 ºC-1

18. Dos varillas A y B a 0°C se encuentran adosadas a dos paredes verticales, Si entre ellas se encuentran sin deformar un resorte de constante 800N/m, determinar la fuerza que comprimirá al resorte si las varillas son calentadas hasta 500°C . La longitud inicial de A es 60cm y la de B es 30 cm αA = 1,5x10-

4 °C-1 , αB = 10x10-4 °C-1) a) 40N b) 48N c) 50N A k B d) 58N e) 60N

19. Un alambre fue doblado tal como se muestra en la figura. Si aumentamos la temperatura en 100º C. Determinar la nueva separación entre sus extremos. (a = 15 x 10-

6 ºC-1).

a) 9,875 cm b) 10,015 cm c) 10,115 cm d) 12,10 cm e) 15,86 cm

SESIÓN 2 2. DILATACIÓN SUPERFICIAL La dilatación lineal no significa que esté restringida a la longitud de un sólido. Cualquier recta que se dibuje cobre el sólido aumentará su longitud por unidad de longitud con una velocidad dada por el coeficiente de dilatación lineal “a”. Por ejemplo, en un cilindro sólido, la longitud axial, el diámetro y una diagonal dibujada sobre el sólido, aumentan sus dimensiones en la misma proporción. De hecho, la dilatación de una superficie es exactamente análoga a una amplificación fotográfica, como se muestra en la figura (B). Obsérvese también que si el material tiene un agujero, el área del mismo se dilata en la misma proporción, como si estuviera lleno del mismo material. La dilatación superficial es el aumento de superficie o área que en dos dimensiones experimentan las placas o planchas cuya temperatura inicial aumenta. _ Siendo: b : Coeficiente de dilatación superficial, depende de las propiedades térmicas del material del cual están hechas las placas o planchas. Por ser dilatación en dos dimensiones: b = 2a 1. Una plancha metálica tiene un área de 100cm2 y se le calienta en 40°C. ¿Cuál será su área final? Considere: b = 2.10-3. a) 102cm2 b) 104 c) 106 d) 108 e) N.A. 2. Una lámina metálica de 103m2 y b = 2.10-

3. Experimenta un incremento en su temperatura de 20°C. ¿Qué incremento experimenta en su área? a) 60cm2 b) 80 c) 100 d) 120 e) N.A. 3. La figura muestra una placa que se encuentra a 6ºC. Si esta placa es calentada hasta la temperatura final de 206ºC. Hallar el área final respectiva que tendrá. Considere: b = 5.10-4.

)T1(AA if Db+=

A

B

Tº C

L.

3L.

10 cm

14 cm

2 cm

20 cm

IBIMESTRE

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a)2pm2

b) 4,5

c) 4,8

d) 4,4p

e) N.A.

4. A la placa de metal mostrada se le ha aplicado un orificio como muestra la figura. Hallar cuál será el área final de dicho orificio si calentamos a la placa en 100ºC. Considere: b = 10-3. a) 18pu2

b) 17,1p

c) 17,6p

d) 17,8p

e) 17,9p

5. El diámetro de un disco de latón (b = 4.10-

6 ºC-1) es de 50 cm a una temperatura de -10º C, ¿Cuánto medirá el diámetro a una temperatura de 40º C? a) 60,005 cm b) 55,005 cm c) 50,008 cm d) 50,003 cm e) 50,005 cm 6. La figura muestra una placa que se encuentra a 10ºC. Si esta placa es calentada hasta la temperatura final de 80ºC, hallar el área final respectiva que tendrá. Considere : b= 3.10-4. a) 1010u2 b) 1020 c) 1021 d) 1024 a) 1031

7. La placa triangular mostrada se encuentra a 5ºC. ¿Hasta qué temperatura habría que calentarla para hacer que su área final sea 105m2 . Considere b = 5.10-3? a) 20ºC

b) 25

c) 30

d) 35

e) N.A.

8. La figura muestra una placa que se encuentra a –10ºC. Si esta placa es calentada hasta la temperatura final de 90ºC, hallar el incremento que sufre el área.

Considere: b = 16.10-4 a) 100u2

b) 120

c) 130

d) 150

e) 160

9. La figura muestra una placa que se encuentra a –5ºC. Si esta placa es calentada hasta la temperatura final de 995ºC, hallar el incremento que sufre el área.

Considere: b = 4 . 10-3. a) 10 m2 b) 20 c) 15 d) 16 e) N.A. 10. Hallar cuál será el área final de la placa si la calentamos en 20ºC. a) 430m2 b) 432 c) 400 d) 420 e) N.A. 11. La placa mostrada es cuadrada y su diagonal mide 4 cm, si elevamos su temperatura en 40°C, ¿en cuánto aumenta su área si: =5.10-3. a) 3,2cm2 b) 6,4 c) 4,8 d) 5,4 e) N.A. 12. La placa mostrada es de b = 3.10-3 y está a 10°C. ¿Qué área final tendrá a 110°C?

3

3

3

2

a

2 m

4

8

250

10m

20m

200

10

4m 4m

4m

20m

40m

7

FÍSICA–4AÑO a) 78m2 b) 58 c) 60 d) 108 e) N.A. 13. A 5ºC. Si esta placa es calentada hasta la temperatura final de 105ºC. Hallar el área final respectiva que tendrá. Consideren: b = 16. 10-4.

a) 101u2 b) 108 c) 116 d) 120 e) N.A.

14. A la placa de metal se le ha aplicado un orificio como muestra la figura. Hallar cuál será el área final de dicho orificio si calentamos a la placa en 10ºC. Considere: b = 2.10-4. a) 8016u2

b) 8000

c) 8010

d) 8008

e) N.A.

15. La placa mostrada es de aluminio. ¿Qué pasará con el orificio que se le ha practicado si la calentamos? a) Crece b) Se achica c) Depende d) No varía e) N.A. 16. La placa mostrada es de cobre y se le ha practicado un orificio cuadrado de lado 1m. ¿Qué área tendrá dicho orificio si calentamos la placa en 40°C? Considere: CU=10-2. a) 1.6cm2 b) 1,8 c) 1,7 d) 1,4 e) N.A.

SESION 3

DILATACIÓN VOLUMÉTRICA Es indudable que al calentar o enfriar un cuerpo, todas sus dimensiones: largo, ancho y altura, experimentan cambios. Por ello se afirma que en todo fenómeno de dilatación realmente se produce una variación en el volumen (DV), cuyo valor estará dado por: g : Coeficiente de dilatación volumétrica

Donde: g = 3a 1. Se tiene cubo un metálico ( g = 2x10–6 °C–

1), cuya arista es 20cm, calcular la variación de volumen que experimenta, cuando su temperatura se incrementa en 100°C a) 2cm3 b) 2,4 c) 1,6 d) 1 e) 1,2 2. Calcular el volumen final de un cubo de 10cm de lado cuyo g=4x10–5 cuando incrementa su temperatura en 200°C. a) 1002cm3 b) 1008 c) 1080 d) 1001 e) 1004 3. Determinar el valor del coeficiente de dilatación volumétrica de un cuerpo cuyo volumen inicial es 2000cm3, y cuando la temperatura se incrementa en 200°C, sufre una variación de volumen de 6cm3. a) 1,5x10–5 °C–1 b) 2x10–5 °C–1 c) 3x10–5 °C–1 d) 2,5x10–5 °C–1 e) 3x10–5 °C–1 4. Hallar la variación de volumen de un cubo cuyo volumen inicial es 5litros y su g= 2x10–5 °C–1 , cuando aumenta su temperatura en 300°C. a) 30cm b) 20cm c) 10cm

a

)T1(VV if Dg+=

5

20

200

40

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d) 4cm e) 15cm 5. Un cubo de acero a la temperatura de 0ºC tiene volumen de 800cm3. Calcular su volumen a la temperatura de 200ºC (a = 1,2.10-5 ºC-1) a) 406,22cm3 b) 520,86cm3 c) 615,74cm3 d) 746,72cm3 e) 805,76cm3 6. ¿Cuál es el aumento en volumen de 20L de alcohol etílico cuando su temperatura cambia de 20ºC a 50ºC? Para el alcohol Y = 11.10 a) V= 0,65L b) V= 0,66L c) V= 0,64L d) V= 0,67L e) N.A 7. Un matraz de vidrio de 250 cm de capacidad se llena completamente con mercurio a 30ºC. ¿Cuánto de mercurio se derramará al calentar el conjunto hasta 80º c?

a) 2,05 cm b) 2,10 c) 2,15 d) 2,20 e) 2,25 8. Un matraz de vidrio de 250cm3 de capacidad se llena completamente con mercurio a 20°C .¿ Cuánto mercurio se derramará al calentar el conjunto hasta 100°C. Los coeficientes de dilatación cúbica son: Yvidrio = 1,2x10-5°C-1 Ymercurio = 18x10-5 °C-1

a) 3,34 b) 3,35 c) 3,36 d) 3.37 e) 3,38

APLICO LO APRENDIDO

1. Una barra que mide 4m a la temperatura de 4ºC.. ¿A qué temperatura final habrá de ser calentada para que se dilate 4,5m? Considere: a = 5 . 10-3 a) 70ºC b) 20 c) 29 d) 50 e) N.A.

2. Un alambre de cobre media 10cm pero luego de ser calentado, su longitud aumenta a 10,5cm. ¿A cuántos grados Celsius se le habrá calentado? a) 5ºC b) 10 c) 15 d) 20 e) N.A. 3. Hallar cuál será el área final de la placa mostrada si la calentamos en 50ºC.

Considere: b = 2 . 10-4. a) 102pm2 b) 101p c) 103p d)104p e)N.A. 4. El diámetro de un disco de latón (b = 4.10-

6 ºC-1) es de 50 cm a una temperatura de -10º C, ¿Cuánto medirá el diámetro a una temperatura de 40º C? a) 60,005 cm b) 55,005 cm c) 50,008 cm d) 50,003 cm e) 50,005 cm 5.El área hueca de la figura es 40cm2 , si la placa se calienta desde 20°C hasta 120°C y el coeficiente de dilatación lineal de la placa 2x10–6 °C–1 . Hallar la nueva área de agujero de la placa.

a) 30,000cm2 b) 40,010 c) 35,000 d) 40,016 e) 20,000

6. La placa triangular mostrada se encuentra a 5°C. ¿Hasta qué temperatura habría que calentarla para hacer que su área final sea 105m2? Considere: b = 2.10-3. a) 20°C b) 25 c) 30 d) 35 e) N.A.

14 º -- CD DD D

3

1º10.2,15 --

= CYvidrio1º10.18

5 --

= CYmercorio3

( )3cu 10.5α -=

10m

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FÍSICA–4AÑO

CALORIMETRÍA

7. La placa es de plata y se le ha practicado el orificio mostrado, si se le lleva a un proceso de calentamiento de 15°C a 25°C. ¿En cuánto aumentará el área del orificio? b=3.10-

3. a) 1m2 b) 1,2 c) 1,3 d) 1,4 e) N.A. 8. A la lámina mostrada se le ha practicado un orificio de 1m de radio. Si la placa esta a 10°C. ¿Hasta qué temperatura habría que calentar la lámina para que en el orificio encaje un círculo de 1,2 m de radio? (b=0,44.10-2) a) 100°C b) 110 c) 105 d) 120 e) N.A. 9. Se tiene un anillo de bronce (α= 19u°C-1 ) de 20cm de diámetro interior. Si debe tener un diámetro de 20,076cm, ¿Cuál debe ser el incremento de temperatura en °C al que se le debe someter? a) 100º C b) 200º C c) 300º C d) 405º C e) 500º C 10. Una plancha metálica tiene un área de 100cm2 y se le calienta en 40°C. ¿Cuál será su área final? Considere: b = 2.10-3. a) 102cm2 b) 104 c) 106 d) 108 e) N.A. 11. Una lámina metálica de 103m2 y b = 2.10-

3. Experimenta un incremento en su temperatura de 20°C. ¿Qué incremento experimenta en su área?

a) 60cm2 b) 80 c) 100 d) 120 e) N.A.

12. Se tiene dos alambres de 15m y 18m cuyos coeficientes son 24 u°C-1 y 40u°C-1

respectivamente. Si el primero se calienta en 100°C, ¿En cuánto °C se debe calentar el otro para que ambos se dilaten igualmente? a) 30º C b) 40º C c) 50º C d) 60º C e) 70º C Situación 02: calor solar El sol nos entrega energía en forma de calor y permite la vida en nuestro planeta, asimismo, el calor está relacionado con la temperatura y nos indica el proceso de transferencia de energía de un cuerpo a otro. Es así que toda transferencia de calor entre objetos va a producir una variación en su energía interna.

1. ¿Qué tan caliente es el sol?

2. ¿Qué pasaría si la distancia entre el sol y la tierra se redujera a la mitad?

3. ¿Hace 50 años la temperatura de la

tierra era la misma que en la actualidad?

SESIÓN 4

PROPÓSITO: Interpreta y aplica correctamente las definiciones de cada proceso calorífico en la solución de problemas de la vida diaria y ejercicios.

1. CALOR: Cuando tocamos un objeto caliente, entra energía a nuestras manos porque el objeto está más caliente que nuestras manos. Pero

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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. En el diagrama; si tocamos el hielo:

� La mano pierde energía interna en forma de calor (Q). � El calor (Q) se almacena en el hielo, no como calor, sino como energía interna.

2. 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. 2.1POR CONDUCCIÓN Si colocamos el extremo de una barra metálica en una llama (fuego), al cabo de unos instantes, 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, en el extremo de la barra, la agitación molecular que se va extendiendo progresivamente a lo largo de toda la barra.

2.2. 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.

2.3. 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, no hay materia, 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.

cuerpo caliente (mano)al frío (hielo)

0° C

HIELO

El calor se transmite del

37° CQ

RCALO

Los cuerpos sólidos metálicos se calientan por CONDUCCIÓN

líquido

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.

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.

Los líquidos y los gases se calientan principalmente por convección.

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FÍSICA–4AÑO

Cuando nos acercamos a una fogata, el calor que llega hasta nosotros se transfiere por radiación.

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. 3. UNIDADES DE LA CANTIDAD DE

CALOR

3.1 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.

También se usa un múltiplo; la gran caloría o kilocaloría; su símbolo es Kcal o también se representa con Cal (con C mayúscula).

1kcal = 1000 cal

4. CALOR ESPECÍFICO (ce) :

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.

Si para cambiar en DT la temperatura de una masa m de una sustancia se le tiene que suministrar una cantidad de calor Q, el calor específico será:

De la definición anterior se puede concebir

que:

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 DT:

En esta ecuación, las unidades comúnmente usadas son:

m c DT Q

g °C cal

Calores específicos de algunas sustancias

Sustancia c(cal/g °C) Sustancia c(cal/g

°C) Aluminio 0,22 Alcohol

etílico 0,58

electromagnéticasEl sol irradia ondas

radiación

radiación

+ =

1 caloría 1 g de agua

21°C

1 g de agua

20°C

TmQ cD

=

Tmc Q D=

Cgcal°

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.

Cada sustancia tiene su respectiva capacidad de calentarse o enfriarse, esta cualidad se mide con el calor específico de la sustancia.

El calor específico es la cantidad de calor requerida para aumentar, en un grado, una unidad de masa.

En el sistema internacional; el calor, como cualquier otra energía, se expresa en joules. Pero, la unidad de calor de uso más frecuente es la caloría.

IBIMESTRE

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Cobre 0,093

Mercurio 0,033

Vidrio 0,020

Agua : 1

Hierro o Acero

0,11 Hielo 0,50

Plomo 0,031

Líquido 1,00

Mármol 0,21 Vapor 0,48 Plata 0,05

6 Cuerpo humano

0,83

5. EQUILIBRIO TERMICO (Temperatura de

una mezcla) Cuando mezclamos una sustancia caliente con otra que está fría, se observará que la primera se enfría, mientras que, 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. 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 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.

Calor ganado = Calor perdido EJERCICIOS DE APLICACIÓN 1. Los líquidos y los gases son malos conductores del calor, estos mayormente se calientan por:

a) Conducción b) convección c) Radiación d) convección y radiación e) N.A. 2. ¿Cuál es la forma de transmisión de calor que puede suceder a través del vacío? a) Conducción b) convección c) Radiación d) convección y radiación e) todas 3. El calor que nos llega de la chimenea se transmite principalmente por: a) Conducción b) convección c) Radiación d) convección y radiación e) ninguna 4. ¿Cuánto calor necesitas para elevar 15ºC la temperatura de 100kg de agua para tu baño? a) 1555Kcalb) 1525 Kcal c) 1505 Kcal d) 1050 Kcal e) 1500Kcal 5.¿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. a) -1222cal b) -1202cal c) 1220cal d) -1200cal e) 1322cal 6. 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? a) 122ºC b) 124ºC c) 120ºC d) 102ºC e) 132ºC 7. 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. a) 400cal b) 410cal c) 420cal d) 430cal e) 440cal 8. Hallar el calor específico de un cuerpo que al ganar 200cal, aumentó su temperatura de 5°C a 45°C. (masa del cuerpo: 4g). a) 1,5°C b) 1,2 c) 1,35 d) 1,25° e) N.A.

+ =

mezclafríotermómetro

caliente agua

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FÍSICA–4AÑO9. Hallar la masa de un bloque de plomo si al ganar 200cal aumentó su temperatura de 60°C A 100°C. (Ce plomo = 0,25) a) 10g b) 20 c) 30 d) 40 e) 50 10. En el problema anterior, ¿cuánto vale la capacidad calorífica (C) del bloque de plomo? a) 10 b) 2,5 c) 25 d) 5 e) N.A. 11. Elabore un cuadro comparativo entre conducción, convección y Radiación. 12. Elabore un mapa mental o esquema cobre la calorimetría 13. Realiza un comentario sobre la calorimetría y su relación con la vida diaria 14. Halle la temperatura de equilibrio, en ºC, que resulta de mezclar 40 g de agua a 20ºC con 60 g de agua hirviendo. a) 56 b) 60 c) 64 d) 68 e) 72 15. 2kg de agua a 20ºC se mezclan con 3kg de agua a 30ºC ¿Qué temperatura de equilibrio alcanzará la mezcla? a) 24ºC b) 25ºC c) 26ºC d) 27ºC e) 28ºC 16. ¿Qué masa de aluminio (c = 0,22 cal/gºC) a 100ºC debe añadirse a 220 g de agua a 10ºC, de manera que la temperatura de equilibrio sea de 40ºC? a) 100g b) 200g c) 300g d) 400g e) 500g 17. Una taza de metal de 200 g de masa está a 20ºC, en ella se coloca 300 g de agua a 80ºC lográndose una temperatura de equilibrio de 70ºC. Calcule el calor específico del metal en cal/gºC. a) 0,25 b) 0,30 c) 0,35 d) 0,40 e) 0,45 18. Un recipiente que no absorbe 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.

a) 38ºC b) 39ºC c) 40ºC d) 41ºC e) 42ºC 19. Un calorímetro de aluminio, de 200g. contiene 500g de agua a 20ºC. 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: 0,032 cal /gºC a) 20,4ºC b) 22,4ºC c) 24,4ºC d) 26,4º e) 28,4º 20. Para una transferencia de calor es necesaria: a) La presencia de un cuerpo caliente. b) La presencia de un cuerpo frio. c) Una diferencia de temperaturas. d) La presencia del fuego. e) N.A. 21. Cuando el calor se transfiere a una sustancia, se almacena en forma de: a) Calor b) temperatura c) no se sabe d) energía interna e) calor especifico 22. Una billa de acero de 50 g está a 20ºC. ¿Hasta qué temperatura se calentará si recibe 220 cal? El calor específico del acero es de 0,11 cal/gºC. a) 40ºC b) 60ºC c) 80ºC d) 100ºC e) 120ºC 23. Una mezcla de agua y aceite está a 10ºC y contiene 15 g de agua y 20 g 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. a) 500 cal b) 510 cal c) 520 cal d) 530 cal e) 540 cal 24. Un depósito contiene 100 g de agua a una temperatura de 20ºC. Al interior del mismo se vierten 200 g de agua a 80ºC. Suponiendo que todo el calor perdido por el agua caliente haya sido absorbido por el agua fría, halle la temperatura final de la mezcla. a) 60ºC b) 70ºC c) 80 d) 900 e) 100 25. En un calorímetro de cobre se mezclan 50 g de agua cuya temperatura es de 40ºC con 200 g de agua hirviendo, llegado el equilibrio el termómetro del calorímetro marca 70ºC.

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Halle el equivalente en agua del calorímetro. La temperatura inicial del calorímetro era 20ºC. a) 50 g b) 70 c) 90 d) 110 e) 130 26. Se mezclan 100g de agua a 10° C con

300g de agua a 90° C. ¿A qué temperatura terminara la mezcla ?

a) 50°C b) 60°C c) 70°C d) 80°C e) 90°C

27. La gráfica “T” vs “Q” muestra una sustancia que se funde a 80 ºC. Hallar el cociente entre la capacidad calorífica en estado sólido y en estado líquido.

a) 0,25 b) 0,50 c) 0,75 d) 0,80 e) 0,95

SESIÓN 5 PROPÓSITO: Interpreta y aplica correctamente Los cambios de fase en cada proceso calorífico en la solución de problemas de la vida diaria y ejercicios. 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, veremos que, 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:

2. FUSION Y SOLIDIFICACIÓN 2.1. 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, mientras se derrite, siempre es de 327ºC. Podemos seguir calentando, derretirse todo el plomo y elevar la temperatura hasta 400ºC o más. Si dejamos enfriar el plomo fundido, después de cierto tiempo, empezará a solidificarse; si se mide la temperatura de solidificación se encontrará que la temperatura vuelve a ser 327ºC. si repetimos la experiencia sucederá lo mismo. Lo mismo sucederá con un tubo de hielo; se fundirá a 0ºC, y colocando agua en la nevera se congelará (solidificará) también a 0ºC.

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

LIQUIDO

VAPORIZACION

VAPOR

SUBLIMACIONREGRESIVA

FUSIONSOLIDIFICACIONSOLIDO

CONDENSACIÓN

SUBLIMACION

HIELO

AGUA

0ºC

0ºC

la temperatura de fusión es iguala la temperatura de solidificación

(T )F(T )S

100 200 400

A B

Q (cal)

80

200 C

O

T (ºC)

CAMBIO DE FASE

A una determinada presión, la mayoría de la sustancias funden (derriten) a una determinada temperatura: punto de fusión, cada sustancia tiene el suyo.

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FÍSICA–4AÑOTemperaturas o punto de fusión de algunas sustancias: Mercurio………………………………-39ºC Hielo……………………………………0ºC Parafina………………………………54ºC Plomo……………………………..…327ºC Plata…………………………………960ºC Hierro……………………………… 1528ºC Tungsteno………………………….3370ºC

2.2Calor 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.

Todos los cambios de fase; como la fusión, se realizan suministrando energía, cuya acción consiste en separar las moléculas de las sustancia que va a cambiar de fase.

En forma de Ecuación será:

Q: Calor sumistrado m: masa que cambia la fase

En el caso de hielo. Para derretir un gramo de hielo, que está a 0ºC. Se requiere 80cal.

Para el hielo: LF=80cal/g Calores latentes de fusión de algunas sustancias: Plomo…………………………………5,5 cal/g Cobre…………………………………41 cal/g Hierro…………………………………49 cal/g Hielo…………………………………80 cal/g Aluminio………………………………94 cal/g

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)

3. VAPORIZACIÓN Y CONDESACION La vaporización es el proceso de transformación de un líquido en vapor, se presenta en forma de evaporación y ebullición. 3.1Evaporación Sucede a cualquier temperatura cuando algunas moléculas rápidas, en el seno del líquido, llegan a la superficie libre de líquido y logran escapar para formar la fase vapor.

La evaporación sucede porque las moléculas veloces logran escapar del líquido.

La cubeta con hielo absorve calor del medio ambiente, pero mientras durala fusión la temperatura permanece en 0ºC

0ºCQ

0ºCQ

0ºCQ

mQLF =

0º C 0º C

1 g de hielo a 0º C 80 cal 1 g de agua a 0º C

calQ 4000=

VAPORLIQUIDO

El calor que requiere una unidad masa. Para pasar de sólido a líquido, se denomina calor latente de fusión (LF)

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En un recipiente ancho, por tener mayor superficie, las moléculas rápidas tienen mayor libertad para escapar del líquido.

A mayor superficie, mayor, será la rapidez de evaporación

Cuando calentamos un líquido, la rapidez de sus moléculas aumenta, y por consiguiente, aumentará también la rapidez de evaporación.

A mayor temperatura, mayor será la rapidez de evaporación

3.2. Ebullición Si calentamos un líquido, llegamos hasta una temperatura especial, que depende de la presión, 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 ebullición la vaporización se produce en toda la masa

La ebullición es un proceso rápido de vaporización, y mientras sucede la temperatura (de ebullición) permanece constante.

Cada líquido tiene su respectiva temperatura de ebullición

3.3 Ebullición y La Evaporación �La ebullición sucede en toda la masa del líquido, mientras que la evaporación, solamente en la superficie. �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. �La ebullición es una vaporización brusca, la evaporación es lenta. 3.4Calor latente de Vaporización (LV) Si colocamos el termómetro, mientras hierve el agua, al nivel del mar, observamos que la temperatura se estabiliza en 100ºC.

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

En forma de ecuación será:

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), se requiere 540cal. Para el agua:

Lv=540cal/g EJERCICIOS DE APLICACIÓN

1. En un cambio de fase, la temperatura:

mayor evaporación

menor evaporación

líquido fríolíquido caliente

Q

100°C

mQLV =

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.

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FÍSICA–4AÑOa) es cero b) aumenta c) disminuye d) permanece constante e) N.A 2. cuando el hielo se derrite, decimos que sucede una: a) Solidificación b) fusión c) vaporización d) condensación e) sublimación 3. señale con verdadero (V) o falso (F): I. en un cambio de fase la temperatura permanece constante. II. condensación es el fenómeno inverso a la vaporización. III. en todo cambio de fase hay transferencia de calor. a) VVF b) FVV c) VVV d) VFV e) VFF 4. Calcular la cantidad de calor necesaria para derretir 200g de hielo a 0°C. a) 16000cal b) 8000 c) 4000 d) 1600 e) 80000 5. ¿Cuánto calor se necesita para derretir 48,5g de hielo a 0°C? a) 388cal b) 3880 c) 1900 d) 485 e) 4850 6. Determinar cuántas calorías son necesarias para derretir 0,03kg de hielo a 0°C. a) 1200cal b) 240 c) 2400 d) 120 e) 3600 7. ¿Cuánto calor será necesario entregarle a 50g de hielo que está a -15°C, para que esté a punto de ser derretido? a) 3750cal b) 7500 c) 750 d) 375 e) 1500 8. Hallar el calor para que 20g de hielo que están a menos 16°C estén a punto de fundirse. a) 1600cal b) 16000 c) 80 d) 8000 e) 160 9. ¿Qué cantidad de calor se necesita entregarle a 60g de hielo a -15°C para fundirlo totalmente? a) 5250cal b) 525 c) 10500 d) 1050 e) 7500

10. Se tienen 20g de hielo a -25°C, calcular la cantidad de calor necesario para derretirlo completamente. a) 185cal b) 1850 c) 3700 d) 370 e) 7400 11. ¿Cuánto calor se debe entregar a 160g de hielo a -72°C para fundirlo totalmente? a) 1856cal b) 360 c) 18560 d) 720 e) 7200 12. ¿Cuánto calor le habrá extraído la refrigeradora a 100g de agua que está a 20°C al convertirla completamente en hielo? a) 4Kcal b) 6 c) 8 d) 10 e) 12 13. Se tienen 45g de agua a 60°C, ¿cuánto calor habrá que extraerle para congelarla completamente? a) 63kcal b) 12,6 c) 126 d) 18,9 e) 6,3 14.¿Qué cantidad de calor se necesita para vaporizar 8g de agua que están a 100ºC? a) 4320cal b) 4310cal c) 4302cal d) 4300cal e) 4203cal 15. Se quiere vaporizar 10g de agua que está a la temperatura ambiente de 20º. Calcular el calor necesario. a) 6000cal b) 6200cal c) 6020cal d) 6120cal e) 6002cal 16. ¿Cuántas calorías se debe suministrar a 200 g de hielo que se halla a -10ºC para poder vaporizarlo totalmente? a) 120 Kcal b) 150 c) 145 d) 130 e) 149 17. Determine la cantidad de calor necesario para licuar 50 g de hielo a -10ºC hasta vapor de agua a 100ºC. a) 36,25 Kcal b) 51,6 c) 47,75 d) 29,6 e) 40 18. En 480g de agua a 20°C se coloca 60g de hielo que está a 0°C. Halle la temperatura de equilibrio de la mezcla. a) 8.88°C b) 9.88 c) 10 d) 11 e) 7.88 19. Para disminuir la temperatura de 300g de agua que está a 46ºC, se echa 15g de hielo a 0ºC. Calcule la temperatura final. a) 38ºC b) 39ºC c) 40ºC

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d) 41ºC e) 42ºC 20. Una muestra de plomo (c=0,003cal/gºC) está a la temperatura de 27ºC, su masa es de 500g. Halle el calor necesario para derretir toda la masa de plomo. Temperatura de fusión del plomo: 327ºC Calor latente de fusión del plomo: 5,5cal/g a) 5,25kcal b) 6,25kcal c) 7,25kcal d) 8,25kcal e) 9,25kcal 21. ¿Cuántos gramos de agua hirviendo se debe mezclar con 10g de hielo a 0ºC, para obtener una temperatura de equilibrio de 40ºC? a) 5g b) 10g c) 15g d) 20g e) 25g 22. Hallar la temperatura de equilibrio cuando se mezclan 100g de hielo a 0°C, 600g de agua a 0°C y 100g de vapor a 100°C. a) 30°C b) 50 c) 70 d) 90 e) 110 23. El calor suministrado a un bloque de 10 g varía con la temperatura tal como muestra la gráfica. Hallar el calor latente de fusión y de vaporización en sus puntos de fusión y vaporización respectivamente.

24. Elabore un mapa mental del cambio de fase 25. Realiza un comentario sobre cambio de fase y su relación con la vida diaria

Q (cal)

40

120

0

T (ºC)

800 1200 3000 5000

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