Guía 7 - Física 2

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Guía 7: Calorimetría 
Asignatura: Física 2 (Biotecnología) 
Docente (Teórica): Dr. BRIAN WUNDHEILER (brian.wundheiler@iteda.cnea.gov.ar) 
Docente (Practica): Dr. DIEGO MELO (diego.melo@iteda.cnea.gov.ar) 
Día/Horario: Miércoles, 16 hs a 22 hs 
Problema 1: En su luna de miel, James Joule puso a prueba la conversión de energía mecánica en 
energía interna al medir temperaturas de cascadas de agua. Si el agua en lo alto de una cascada 
suiza tenía una temperatura de 10 °C y después caía 50 m, ¿qué temperatura máxima en el fondo 
podría esperar Joule?. No tuvo éxito para medir el cambio de temperatura, en parte porque la 
evaporación enfriaba el agua que caía y también porque su termómetro no era suficientemente 
sensible. 
 
Problema 2: Considere el aparato de Joule que se muestra en la siguiente figura. La masa de cada 
uno de los dos bloques es 1.5 kg y el tanque aislado está lleno con 200 g de agua. ¿Cuál es el aumento 
en la temperatura del agua después de que los bloques caen una distancia de 3 m?. Considere que 
los bloques caen con velocidad constante. 
 
 
 
Problema 3: La temperatura de una barra de plata se eleva 10 °C cuando absorbe 1.23 kJ de energía 
por calor. La masa de la barra es 525 g. Determine el calor especifico de la plata. 
 
Problema 4: El uso sistemático de la energía solar produce un gran ahorro en el costo de 
calentamiento de una casa típica en el norte de los Estados Unidos durante el invierno. Si la casa 
tiene buen aislamiento, puede modelarla con una pérdida de energía por calor estable en 6000 W 
en un día de abril, cuando la temperatura exterior promedio es de 4 °C y el sistema de calefacción 
convencional no se usa. El colector pasivo de energía solar puede consistir simplemente de ventanas 
muy grandes en una habitación con cara al sur, de manera tal que la luz del sol que brilla durante el 
día se absorbe en el suelo, las paredes interiores y los objetos de la habitación, elevando la 
temperatura a 38 °C. A medida que el Sol se pone las cortinas o persianas se cierran sobre las 
ventanas, durante el periodo de tiempo comprendido entre 5:00 p.m y las 7:00 a.m, la temperatura 
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de la casa caerá y requerirá una “masa térmica” suficientemente grande para evitar que la 
temperatura descienda demasiado. Considerando que la masa térmica es una gran cantidad de 
piedra (con calor específico de 850 J/kg.°C) sobre el suelo y las paredes interiores expuestas a la luz 
solar. ¿Qué masa de piedra se requiere para que la temperatura no descienda debajo de los 18 °C 
durante la noche?. 
 
Problema 5: Una taza de aluminio, de 200 g de masa, contiene 800 g de agua en equilibrio térmico 
a 80 °C. La combinación de taza y agua se enfría uniformemente de modo que la temperatura 
disminuye en 1.5 °C por minuto. ¿En qué proporción se retira la energía por calor?. Exprese su 
respuesta en watts. 
 
Problema 6: Una herradura de hierro de 1.5 kg, inicialmente a 600 °C, se deja caer en una cubeta 
que contiene 20 kg de agua a 25 °C. ¿Cuál es la temperatura final?. (Ignore la capacidad térmica del 
contenedor y suponga que hierve una cantidad despreciable de agua.) 
 
Problema 7: Un calorímetro de aluminio, con una masa de 100 g, contiene 250 g de agua. El 
calorímetro y el agua están en equilibrio térmico a 10 °C. Dos bloques metálicos se colocan en el 
agua. Uno es un trozo de cobre de 50 g a 80 °C. El otro tiene una masa de 70 g y originalmente esta 
a una temperatura de 100°C. Todo el sistema se estabiliza a una temperatura final de 20 °C. a) 
Determine el calor específico de la muestra desconocida. b) Con los datos de la Tabla 20.1, ¿puede 
hacer una identificación positiva del material desconocido?. ¿Puede identificar un material posible?. 
 
Problema 8: Una moneda de cobre de 3 g a 25 °C cae 50 m al suelo. a) Si supone que 60 % del 
cambio en energía potencial del sistema moneda–Tierra participa en el aumento de energía interna 
de la moneda, determine la temperatura final de la moneda. b) ¿El resultado depende de la masa 
de la moneda?. 
 
Problema 9: Una combinación de 0.25 kg de agua a 20 °C, 0.4 kg de aluminio a 26 °C, y 0.1 kg de 
cobre a 100 °C se mezclan en un contenedor aislado y se les permite llegar a equilibrio térmico. 
Ignorando cualquier transferencia de energía hacia o desde el contenedor determine la temperatura 
final de la mezcla. 
 
Problema 10: ¿Cuánta energía se requiere para cambiar un cubo de hielo de 40 g, que se encuentra 
a -10 °C, a vapor a 110 °C?. 
 
Problema 11: Un calorímetro de cobre de 50 g contiene 250 g de agua a 20 °C y cierta cantidad de 
vapor a 100 °C. ¿Cuánto vapor se debe condensar en el agua si la temperatura final del sistema es 
de 50 °C?. 
 
Problema 12: Una bala de plomo de 3 g a 30 °C se dispara con velocidad de 240 m/s sobre un gran 
bloque de hielo que se encuentra a 0 °C. Sabiendo que la bala queda completamente incrustada 
determine la cantidad de hielo que se derrite del bloque de hielo. 
 
Problema 13: Un bloque de cobre de 1 kg a 20 °C se deja caer en un gran recipiente de nitrógeno 
liquido a 77.3 K. ¿Cuántos kilogramos de nitrógeno hierven para cuando el cobre alcanza 77.3 K?. 
Considere que el calor especifico del cobre es 0.092 cal/g.°C, y que el calor latente de vaporización 
del nitrógeno es 48 cal/g. 
 
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Problema 14: Un automóvil tiene una masa de 1500 kg y sus frenos de aluminio tienen una masa 
global de 6 kg. Suponga que toda la energía mecánica que desaparece cuando el auto se detiene se 
deposita en los frenos y no se transfiere energía afuera de los frenos por calor. Los frenos 
originalmente están a 20 °C. ¿Cuántas veces se puede detener el automóvil desde 25 m/s antes de 
que los frenos comiencen a fundirse?. 
 
Problema 15: Un ventanal de vidrio tiene 3 m2 de superficie y 0.6 cm de espesor. La diferencia de 
temperatura entre sus caras es de 25 °C. ¿Cuál es la rapidez de transferencia de energía por 
conducción a través de la ventana?. 
 
Problema 16: Se tiene una barra de oro (Au) en contacto térmico con una barra de plata (Ag) de 
igual longitud y área, tal como se indica en la figura. Un extremo de la barra de oro se mantiene a 
80 °C y un extremo de la barra de plata se mantiene a 30 °C. Determine la temperatura en la unión 
cuando la transferencia de energía alcanza un estado estable. 
 
 
 
Problema 17: El filamento de tungsteno de cierto foco de 100 W radia 2 W de luz (los otros 98 W se 
dispersan mediante convección y conducción). El filamento tiene área superficial de 0.25 mm2 y una 
emisividad de 0.95. a) Encuentre la temperatura del filamento. b) ¿A cuantos grados Kelvin trabaja 
el filamento respecto a los 3638 K correspondientes a la temperatura de fusión del tungsteno?. 
 
Problema 18: A mediodía el Sol entrega 1000 W a cada metro cuadrado de una carretera con 
recubrimiento negro. Si el asfalto caliente pierde energía solo por radiación, determine la 
temperatura del asfalto en estado estable. 
 
Problema 19: Dos lámparas eléctricas poseen filamentos cilíndricos mucho mayores en longitud que 
en diámetro. Ambas lámparas son idénticas, salvo que una funciona con el filamento a temperatura 
de 2100 °C y la otra a 2000 °C. a) Encuentre la proporción de la potencia emitida por la lámpara más 
caliente respecto a la emitida por la lámpara más fría. b) Suponga que ambas lámparas trabajan a 
las mismas temperaturas indicadas, y que la lampara más fría se alterara haciendo más grueso el 
filamento para que emita la misma potencia que la lámpara más caliente. ¿En qué factor se debe 
aumentar el radio de dicho filamento?.