Guía 6 - Física 2

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Guía 6: Temperatura y Expansión térmica 
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: Un termómetro de gas a volumen constante se calibra en hielo seco (dióxido de 
carbono en evaporación en el estado sólido, con una temperatura de -80°C) y en alcohol etílico en 
ebullición (78°C). Las dos presiones son 0.900 atm y 1.635 atm. a) ¿Qué valor Celsius de cero 
absoluto produce la calibración?. b) ¿Cual es la presión en el punto de congelación del agua?. c) 
¿Cuál es el punto de ebullición del agua?. 
 
Problema 2: La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de un motor de automóvil 
es de 450°C. Exprese esta diferencia de temperatura en: a) La escala Fahrenheit, y b) La escala Kelvin. 
 
Problema 3: El punto de fusión del oro es 1064°C y su punto de ebullición es 2660°C. a) Exprese 
estas temperaturas en Kelvin. b) Calcule la diferencia entre estas temperaturas en grados Celsius y 
en Kelvin. 
 
Problema 4: Un alambre telefónico de cobre en esencia no tiene comba entre postes separados 35 
m en un día de invierno cuando la temperatura es de -20°C. ¿Cuánto más largo es el alambre en un 
día de verano cuando TC = 35°C?. 
 
Problema 5: Las secciones de concreto de cierta superautopista están diseñadas para tener una 
longitud de 25 m. Las secciones se vierten y curan a 10°C. ¿Qué espaciamiento mínimo debe dejar 
el ingeniero entre las secciones para eliminar el pandeo si el concreto alcanzara una temperatura 
de 50°C?. 
 
Problema 6: En un día en que la temperatura es de 20°C, un sendero de concreto se vierte en tal 
forma que los extremos del sendero son incapaces de moverse. a) ¿Cual es el esfuerzo en el cemento 
en un día caliente con 50°C?. b) ¿El concreto se fractura?. Considere que el modulo de Young para 
el concreto es 7 x 109 N/m2 y la resistencia a la compresión es de 2 x 109 N/m2. 
 
Problema 7: Un anillo de latón con diámetro interno de 10 cm a 20°C se calienta y desliza sobre una 
barra de aluminio de 10.01 cm de diámetro a 20°C. Si supone que los coeficientes de expansión 
lineal promedio son constantes. a) ¿A qué temperatura se debe enfriar esta combinación para 
separar las partes?. Explique si esta separación es posible. b) ¿Qué pasaría si la barra de aluminio 
tuviera 10.02 cm de diámetro?. 
 
Problema 8: Dentro de la pared de una casa, una sección de tubería de agua caliente en forma de L 
consiste en una pieza recta horizontal de 28 cm de largo, un codo y una pieza recta vertical de 134 
cm de largo (ver figura). Una trabe y un castillo mantienen fijos los extremos de esta sección de 
tubería de cobre. Encuentre la magnitud y dirección del desplazamiento del codo cuando hay flujo 
de agua, lo que eleva la temperatura de la tubería de 18°C a 46.5°C. 
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Problema 9: El puente Golden Gate en San Francisco tiene un tramo principal de 1.28 km de largo, 
uno de los más largos del mundo. Imagine que un alambre de acero tenso con esta longitud y área 
de sección transversal de 4 x 10-6 m2 se tiende en la losa, con sus extremos unidos a las torres del 
puente, y que en este día de verano la temperatura del alambre es de 35°C. a) Cuando llega el 
invierno, las torres permanecen a la misma distancia de separación y la losa del puente mantiene la 
misma forma mientras se abren las juntas de dilatación. Cuando la temperatura cae a -10°C, ¿cuál 
es la tensión en el alambre?. Considere que el modulo de Young para el acero es de 20 x 1010 N/m2. 
b) Si el esfuerzo en el acero supera su límite elástico de 3 x 108 N/m2, ocurre deformación 
permanente. ¿A qué temperatura el alambre alcanzaría su límite elástico?. c) ¿Explique como 
cambiarían sus respuestas a los incisos a) y b) si el puente Golden Gate tuviera el doble de largo?. 
 
Problema 10: La llanta de un automóvil se infla con aire originalmente a 10°C y presión atmosférica 
normal. Durante el proceso, el aire se comprime a 28% de su volumen original y la temperatura 
aumenta a 40°C. a) ¿Cual es la presión de la llanta?. b) Después de que el automóvil se maneja a 
gran velocidad, la temperatura en el aire de la llanta se eleva a 85°C y el volumen interior de la llanta 
aumenta un 2%, ¿cuál es la nueva presión de la llanta en pascales?. 
 
Problema 11: Un recipiente de 8 L contiene gas a una temperatura de 20°C y una presión de 9 atm. 
a) Determine el número de moles de gas en el recipiente. b) ¿Cuantas moléculas hay en el 
recipiente?. 
 
Problema 12: Un cocinero pone 9 g de agua en una olla de presión de 2 L y la calienta a 500°C. ¿Cuál 
es la presión dentro del contenedor?. 
 
Problema 13: La masa de un globo de aire caliente y su carga (no incluido el aire interior) es de 200 
kg. El aire exterior esta a 10°C y 101 kPa. El volumen del globo es de 400 m3. ¿A qué temperatura se 
debe calentar el aire en el globo antes de que este se eleve?. Ayuda: considere que la densidad del 
aire a 10°C es de 1.25 kg/m3, y que su masa molecular es Maire = 28.96 gr/mol. 
 
Problema 14: A 25 m bajo la superficie del mar (ρ = 1025 kg/m3), donde la temperatura es de 5°C, 
un buzo exhala una burbuja de aire que tiene un volumen de 1 cm3. Si la temperatura de la superficie 
del mar es de 20°C, ¿cuál es el volumen de la burbuja justo antes de romperse en la superficie?. 
 
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Problema 15: En sistemas de vacio avanzados, se han logrado presiones tan bajas como 10-9 Pa. 
Calcule el número de moléculas en un recipiente de 1 m3 a esta presión y una temperatura de 27°C. 
 
Problema 16: Un líquido con un coeficiente de expansión volumétrica  justo llena un matraz 
esférico de volumen Vi a una temperatura de Ti, tal como se muestra en la figura. El matraz está 
fabricado de un material con un coeficiente de expansión lineal promedio . El líquido es libre de 
expandirse en un capilar abierto de área A que se proyecta desde lo alto de la esfera. a) Si supone 
que la temperatura aumenta en ΔT, demuestre que el liquido se eleva en el capilar en la cantidad 
Δh conocida por la ecuación Δh = (Vi /A)( - 3)ΔT. b) Para un sistema típico, como un termómetro 
de mercurio, ¿por qué es una buena aproximación ignorar la expansión del bulbo?. 
 
 
 
Problema 17: Se cierra un cilindro mediante un pistón conectado a un resorte con constante de 2 x 
103 N/m tal como muestra la figura. Con el resorte relajado, el cilindro está lleno con 5 L de gas a 
una presión de 1 atm y una temperatura de 20°C. a) Si el pistón tiene un área de sección transversal 
de 0.01 m2 y masa despreciable, ¿a qué altura subirá cuando la temperatura se eleve a 250°C?. b) 
¿Cual es la presión del gas a 250°C?. Considere que todo el sistema está inmerso en aire y por lo 
tanto sometido a la presión externa de 1 atm. 
 
 
 
Problema 18: Un cilindro vertical de área de sección transversal A sé sella con un pistón sin fricción 
de gran ajuste de masa m, como se muestra en la figura. a) Si n moles de un gas ideal están en el 
cilindro a una temperatura T, ¿cuál es la altura h a la que el pistón esta en equilibrio bajo su propio 
peso?. b) ¿Cual es el valor para h si n = 0.2 mol, T = 400 K, A = 0.008 m2 y m = 20 kg?. Considere que 
el sistema está inmerso en aire y por lo tanto sometido a la presión externa de 1 atm. 
 
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Problema 19: Dos losas de concreto de un puente de 250 m de largo se colocan justo en sus 
extremos, de modo que no se permite espacio para expansión (ver figura a). Si ocurre un aumento 
de temperatura de 20°C, ¿cuál es la altura y a la cual las losas se elevan (ver figura b) cuando se 
pandean?. 
 
 
 
 
Problema 20: Un cilindro que tiene un radio de 40 cm y 50 cm de profundidad se llena con aire a 
20°C y 1 atm (ver figura a). Ahora en el cilindro baja un pistón de 20 kg, y comprime el aire atrapado 
en el interior mientras llega a una altura de equilibrio hi (ver figura b). Para finalizar, un perro de 75 
kg de pie sobre el pistón, comprime más elaire, que permanece a 20°C (ver figura c). a) ¿A qué 
distancia por abajo (Δh) se mueve el pistón cuando el perro se para en él?. b) ¿A qué temperatura 
se calienta el gas para elevar el pistón y al perro de regreso a hi?.