1 NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA COLEGIO DE LA SAGRADA FAMILIA AREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL ESTRUCTURA DE TRABAJO DE LA ASIGNATURA DE FÍSICA AÑO 2013 PLANEACIÓN Y EJECUCIÓN – GRADO 10 TERMODINAMICA IV PERIODO ACADEMICO MODULO IV – CALOR – TEMPERATURA – CAMBIO DE FASE – LEYES DE LA TERMODINAMICA RESPONSABLE LICENCIADO NELSON JESUS CARDALES GALINDO LAS MENTES MÁS BRILLANTES DE NUESTROS TIEMPOS – UN INSTANTE QUE NO SE REPETIRÁ JAMÁS QUINTO CONGRESO DE CIENCIAS EXACTAS. SOLVAY, BRUSELAS 1927 FONDO DE PIE DE IZQUIERDA A DERECHA: Auguste Piccard, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Edouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger, Jules-Émile Verschaffelt, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Ralph Howard Fowler, Léon Brillouin. SENTADOS FILA CENTRAL DE IZQUIERDA A DERECHA: Peter Debye, Martin Knudsen, William Lawrence Bragg, Hendrik Anthony Kramers, Paul Adrien, Maurice Dirac, Arthur Holly Compton, Louis-Victor de Broglie, Niels Bohr SENTADOS FILA FRONTAL DE IZQUIERDA A DERECHA: Irving Langmuir, Max Planck, Marie Curie, Hendrik Antoon Lorentz, Albert Einstein, Paul Langevin, Charles-Eugène Guye, Charles Thomson Rees Wilson, Owen Willans Richardson. LA FÍSICA: “La que en verdad abrió los ojos del hombre al universo y permitió acceder a la conquistas de sus misterios y a la profundización de otros”.
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
COLEGIO DE LA SAGRADA FAMILIA
AREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL ESTRUCTURA DE TRABAJO DE LA ASIGNATURA DE FÍSICA AÑO 2013
PLANEACIÓN Y EJECUCIÓN – GRADO 10
TERMODINAMICA
IV PERIODO ACADEMICO
MODULO IV – CALOR – TEMPERATURA – CAMBIO DE FASE – LEYES DE LA TERMODINAMICA
RESPONSABLE
LICENCIADO NELSON JESUS CARDALES GALINDO
LAS MENTES MÁS BRILLANTES DE NUESTROS TIEMPOS – UN INSTANTE QUE NO SE REPETIRÁ JAMÁS QUINTO CONGRESO DE CIENCIAS EXACTAS. SOLVAY, BRUSELAS 1927
FONDO DE PIE DE IZQUIERDA A DERECHA: Auguste Piccard, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Edouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger, Jules-Émile Verschaffelt, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Ralph Howard Fowler, Léon Brillouin. SENTADOS FILA CENTRAL DE IZQUIERDA A DERECHA: Peter Debye, Martin Knudsen, William Lawrence Bragg, Hendrik Anthony Kramers, Paul Adrien, Maurice Dirac, Arthur Holly Compton, Louis-Victor de Broglie, Niels Bohr SENTADOS FILA FRONTAL DE IZQUIERDA A DERECHA: Irving Langmuir, Max Planck, Marie Curie, Hendrik Antoon Lorentz, Albert Einstein, Paul Langevin, Charles-Eugène Guye, Charles Thomson Rees Wilson, Owen Willans Richardson.
LA FÍSICA: “La que en verdad abrió los ojos del hombre al universo y permitió acceder a la conquistas de sus misterios y a la profundización de otros”.
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
ACLARACION: El siguiente documento (dividido en módulos de acuerdo al número de periodos académicos) no es un libro y no pretende serlo, solo es una recopilación de todas las clases que durante años he desarrollado en la asignatura de física y que se encuentran recopiladas en él. Es claro que se usa como base debido a que mantiene un orden coherente en la temática la Física 1 Hipertexto Santillana, Editorial Santillana y no se pretende remplazar ni copiar este texto. Además se usan otros textos, inclusive de nivel superior que enriquece la temática desarrollada. Dicho documento no tiene ningún valor comercial por lo tanto no se vende a las estudiantes y a ninguna otra persona dentro o por fuera de la institución. Las alumnas los pueden descargar para su uso. Como se dijo al inicio son las clases preparadas de antemano y la metodología de trabajo se acuerda con las estudiantes. Las preguntas tipo ICFES usadas en el presente documento son tomadas de módulos que se han usado en la institución legalmente, pruebas liberadas por el Icfes y páginas web que ofrecen banco de preguntas sin ningún tipo de restricción pero que obviamente se hace mención de ellas en el presente documento como reconocimiento al valioso aporte que realizan. Dichas preguntas son aplicadas como evaluación de la temática.
TEXTOS DE REFERENCIAS – WEBGRAFIA
FISICA 1 HIPERTEXTO Santillana. EDITORIAL SANTILLANA.
FÍSICA 1. EDITORIAL NORMA. (Versión consultada anterior al 2007)
FISICA SERWAY 5a Y 6a EDICION PARA INGENERIA Mc GRAWHILL.
INSTITUCIÓN EDUCATIVA 10157 - “INCA GARCILASO DE LA VEGA” - MÓRROPE - 2010 PROF. EDWIN RONALD CRUZ RUIZ.
FÍSICA I PROFESOR: RODOLFO BERNAL UNIVERSIDAD DE SONORA
CM2, CIENCIAS NATURALES: MODULO II, FÍSICA. RENE ALEXANDER CASTILLO.
WWW.EDUCAPLUS.ORG
WWW.XTEC.NET/~OCASELLA/
PAGINAS WEB DE LIBRE USO (SIMULADORES – EVALUACIONES – PROYECTOS). Los enlaces aparecen a lo largo del documento. Serán de gran ayuda y se requiere la Máquina Virtual de Java, si no la tienes instalada hazlo es gratuita.
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
COMPETENCIAS EN CIENCIAS NATURALES
Las competencias que se evalúan en ciencias naturales se describen a continuación. Cabe anotar que son aplicables a la asignatura de física. IDENTIFICAR: esta competencia enfatiza no en la memorización de los conceptos y las teorías, sino que los comprenda, que encuentre relación entre la física y las demás áreas del saber y que sepa aplicar sus conocimientos en la resolución de problemas. INDAGAR: está orientada a la búsqueda de información que ayude a establecer la validez de una respuesta preliminar. Uno de esos mecanismos es la experimentación, donde se recree un fenómeno natural para deducir de él conclusiones aplicables. EXPLICAR: es fundamental someter las explicaciones propuestas a debate y estar dispuestos a cambiarlas cuando se reconozca que existen razones para ello. La creatividad y la imaginación como también la crítica y la autocrítica ayudan a la elaboración de una explicación coherente y creíble en el estudio de la naturaleza a través de la física. Cada una de las competencias en ciencias naturales en especial física desde los siguientes componentes:
MECÁNICA CLÁSICA: está en relación con la manera como se caracteriza el movimiento de un cuerpo y la argumentación que se hace sobre el cambio en el movimiento del cuerpo.
- ¿Respecto a quién o qué se mueve un cuerpo? ¿Por qué cambia su movimiento? ¿El
movimiento es una característica intrínseca de los cuerpos? - Carácter direccional de algunas de las magnitudes físicas involucradas en el
análisis del movimiento de un cuerpo (posición, velocidad, cantidad de movimiento y fuerza).
TERMODINÁMICA: involucra la manera como se relaciona las variables de
estado en el equilibrio termodinámico y cómo se incrementa la energía interna de un sistema.
- Relaciones entre energía interna, temperatura, volumen, presión y número de
partículas de un sistema. EVENTOS ONDULATORIOS: se relaciona con la forma como se caracteriza un movimiento ondulatorio y lo que sucede cuando una onda interactúa con un cuerpo u otra onda.
- Análisis de la “ecuación de onda”.
- Interacciones onda-partícula y onda-onda.
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EVENTOS ELECTROMAGNÉTICOS: hace referencia a la manera como se puede cargar eléctricamente un sistema, a la forma como se genera una corriente eléctrica y a las condiciones necesarias para que un cuerpo interactúe con un campo magnético.
- Caracterización de la carga eléctrica de un sistema (su naturaleza, su ilustración gráfica, entre otros).
- Análisis básico de las características atractivas y repulsivas de fuerzas eléctricas y magnéticas y los procesos mediante los cuales es posible cargar eléctricamente un sistema.
- Noción de campo, potencial eléctrico y de las condiciones necesarias para generar
una corriente eléctrica (nociones de conductividad y resistividad eléctrica), así como las condiciones necesarias para que un cuerpo interactúe en un campo magnético.
REGLAMENTO Y MEDIDAS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO DE FÍSICA
Entrar en orden al laboratorio y ubicarse en grupo de ocho (8) en las mesas de
la uno (1) a la cuatro (4).
No arrojar basura en el piso ni sobre las mesas, usar la caneca.
No rayar las mesas ni las sillas de brazos. No subirse ni sentarse en las mismas.
No ingerir alimentos ni bebidas durante la permanencia en el laboratorio.
No manipular ninguna conexión eléctrica del laboratorio. El docente se encargará de ello.
No manipular los experimentos de biología depositados en el laboratorio.
Usar los materiales disponibles para los montajes planeados, solo cuando el
docente lo disponga.
Cuando se trabaje con fuente de calor y/o corriente eléctrica, espere las indicaciones del docente para ser manipulados. Hágalo con sumo cuidado.
Al momento de retirarse, dejar las sillas sobre las mesas.
En caso de evacuación siga las flechas de la ruta más cercana al laboratorio,
manteniendo orden en la salida y en los pasillos hasta el punto de encuentro.
Verificar la medida de presión del extintor asignado al laboratorio.
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INFORME DE LABORATORIO
A continuación se hará una descripción sencilla, de las partes de un laboratorio, las cuales se deben seguir de acuerdo al orden establecido. PORTADA: Nombre del colegio: Título del laboratorio: Grado y curso: Nombre de las integrantes del grupo de trabajo: Asignatura: Nombre del profesor: Fecha de entrega: DESARROLLO: Nombre de la práctica: aparecen en la guía Objetivo (s) de la práctica: aparecen en la guía Materiales: los usados en la realización de la práctica, aparecen en la guía Teoría relacionada: una breve descripción o resumen de la teoría vista sobre el tema. Procedimiento: se hace una corta explicación de cómo se hizo la práctica, en primera persona. Recolección de datos: se debe anotar todos los datos obtenidos durante la práctica, en sus respectivas tablas de valores, si las hay. Tablas y gráficas: representación en el plano cartesiano de los datos obtenidos. Análisis de resultados: se responden las preguntas a partir de la teoría conocida y los resultados que arroje el análisis de gráficas. Conclusiones: se hace alusión si se llegó a la demostración práctica de la teoría vista en clases. Bibliografía – Webgrafía: se anotan los libros usados como textos guías y de consultas además de los enlaces de páginas relacionadas con la temática.
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MECANÍSMOS DE EVALUACIÓN
Para lograr una profundización en la teoría y los conceptos en la asignatura de física, esta se evaluara de la siguiente forma y dentro de los tiempos estipulados.
1. Se desarrollará durante el curso cuestionarios tipos ICFES de la temática, dichas actividades serán evaluadas.
2. La sección de CONSULTAS que aparecen a lo largo del documento es de
obligatorio cumplimiento, ya que serán evaluadas.
3. Al inicio de cada clase se harán preguntas teóricas que buscaran verificar si hay continuidad y profundización en los temas estudiados en las clases anteriores, las cuales serán valoradas.
4. Para trabajar los talleres se formaran grupos de 3 alumnas para su solución los
cuales deberán ser sustentados en clases para su discusión y corrección. Se aclara que todos los grupos deben resolver los puntos de los talleres. Se aceptara si alguna alumna desea hacerlo individual.
5. La preparación y ejecución de los laboratorios se llevara a cabo por grupo
conformados por 4 alumnas. Los cuales desarrollaran dentro de la clase, para deducir y analizar las temáticas estudiadas en el momento por lo tanto deben analizarse y socializarse los resultados en la misma clase y posteriores. Se realizaran prácticas con materiales traídos por las alumnas donde se evaluara la creatividad y el grado de profundización que aporte el experimento.
6. Los talleres y trabajos deben ser presentados dentro de la fecha estipulada.
Serán revisados y calificados y devueltos para socializarlos.
7. Se motivará a todas las alumnas que presenten en clases ejercicios, problemas y consultas hechas en textos y en internet los cuales aporten a la de profundización de los temas vistos en las mismas.
8. Los grupos de laboratorio que presenten experimentos a la comunidad serán
evaluados y podrán ser eximidos de evaluaciones posteriores. Periódicamente los grupos de laboratorio deberá presentar actividades experimentales a los demás cursos, en las horas concernientes al área de las ciencias naturales.
9. En colaboración con el área de informática (internet) se harán prácticas
virtuales usando los simuladores o en la biblioteca previo permiso para el uso del internet. Los cuáles serán evaluados como laboratorios reales.
10. Todos los exámenes serán tipos ICFES con la salvedad de que los
procedimientos deben acompañar las respuestas marcadas, donde sea necesario. La participación activa en clases, aportando significativamente será de alta valoración, ya que indica el nivel de asimilación de la temática.
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CONTENIDO DEL DESARROLLO DE LA ASIGNATURA
A continuación se desarrollara toda la temática de la física de 9o la cual consta del siguiente orden:
Logro macro.
Indicadores de logros.
Mapa conceptual.
Desarrollo de los temas.
DESARROLLO DE COMPETENCIAS
TALLERES (individual o 2 alumnas).
Interpreta.
Argumenta.
Propone.
Verifica conceptos.
- Analiza y resuelve.
Problemas básicos.
Problemas de profundización.
PARTICIPACIÓN EN CLASES (la valoración más importante).
EXPOSICIONES (grupo de tres).
EXÁMENES (individuales o grupo de 2).
LABORATORIOS (4 alumnas por grupo).
PRUEBAS ICFES (durante la realización de las clases).
EVALUACIÓN FINAL (según programación por periodo). NOTA: las actividades se llevaran a cabo en las clases. Aquellas que no sean completadas deberán ser terminadas por las alumnas y presentadas en la siguiente clase. NOTA: las valoraciones se tomaran de 0,0 hasta 5,0 (Nota mínima de aprobación 3,5).
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LISTADO DE ECUACIONES GRADO 9 – ECUACIONES DE CINEMATICA
A continuación se enlistan las ecuaciones que se usaran durante el curso
MU
x = vt
MUA
v = v0 ± at x = x0 + v0t ± at2/2 v2 = v20 ± 2ax
CAIDA LIBRE Y LANZAMIENTO VERTICAL
v = v0 ± gt g = 9,8m/s2
y = y0 + v0t ± gt2/2 v2 = v20 ± 2gy
COMPONENTES RECTANGULARES DE UN VECTOR
AX = ACosθ AY = ASenθ
VECTOR RESULTANTE
║A║= √ (A2x + A2y)
ANGULO VECTOR RESULTANTE
Tanθ = AY / AX
MOVIMIENTO SEMIPARABOLICO
x = v0t y = - gt2/2 vy = -gt y = - x2g/2v2o
MOVIMIENTO PARABOLICO
vx = v0 Cosθ tv = 2ts ts =v0senθ/g vy = v0 Senθ x = v0tcosθ Ymax = v20 sen2θ/2g Xmax = v20 sen (2θ)/g y = v0tSenθ ± gt2/2
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LISTADO DE ECUACIONES GRADO 10 – ECUACIONES DE DINAMICA
FUERZA
Peso (w) w= - mg
Fuerza normal (N) N = mg
Plano inclinado wX = wSenθ y wY = wCosθ
Plano inclinado la normal es igual a la componente vertical del peso N = - wy N = – mgCosθ
Fuerza de rozamiento o fricción (fr) Fr = N, donde se le conoce cono coeficiente de rozamiento estático
LA PRIMERA LEY DE NEWTON
Equilibrio de traslación Fn = 0
LA SEGUNDA LEY DE NEWTON O PRINCIPIO FUNDAMENTAL DE LA DINÁMICA
Fn = ma
CANTIDAD DE MOVIMIENTO LINEAL (MOMENTUM LINEAL)
P = mv
IMPULSO MECÁNICO
Fn = p/t I = p – p0 I = p I = Fn t
COLISIONES : m1v1o + m2v2o = m1v1f + m2v2f
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MOVIMIENTO CIRCULAR
El desplazamiento angular (θ) θ = θ2 – θ1
Velocidad angular (w) w = θ / t
La velocidad lineal (v) v = wr
MCU
El desplazamiento angular (θ) θ = wt
Periodo (T) T = t / n
Frecuencia (f) f = n / t Tf = 1 T = 1 / f f = 1 / T
La velocidad angular (w) w = 2π /T ; w = 2πf
Aceleración centrípeta (aC) ac = v2/R
Fuerza centrípeta (FC) FC = m v2 /R
MOVIMIENTO CIRCULAR ACELERADO O VARIADO (MCV)
Aceleración lineal o tangencial aT = r
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Velocidad angular (w) w = w0 + t
Desplazamiento angular (θ) θ = w0t – t2 / 2
La aceleración del sistema a2 = a2T + a2C
TRANSMISIÓN DEL MOVIMIENTO CIRCULAR
w1R = w2r
LA LEY DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL
F = G Mm / R2, G = 6,67x10-11Nm2 / kg2
ROTACIÓN DE SOLIDOS
Torque o momento de una fuerza = Fd Senθ – mg + T + F = 0
La cantidad de movimiento angular L = m w r 2
TRABAJO
W = FxCosθ
Trabajo realizado por la fuerza de fricción W = – fr x
TRABAJO HECHO POR UNA FUERZA VARIABLE
W = 1/2kx2
TRABAJO NETO
Sumamos todas las fuerzas y calculamos la fuerza neta: F1 + F2 + F3 + F4 = FN →
WFn = FNX.
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Calculando el trabajo hecho por cada fuerza y luego sumando cada uno de ellos:
WFn = WF1 + WF2 + WF3 + WF4.
LA ENERGÍA
La energía potencial gravitacional EP = mgh
LA ENERGÍA CINÉTICA
EC = mv2/2
EL TEOREMA DEL TRABAJO Y LA ENERGÍA
Wneto = EC – EC0
POTENCIA
P = W/ t; P = Fv
PRINCIPIO DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA
EM = K + U → mv2A / 2 + mghA = mv2B / 2 + mghB
ENERGÍA POTENCIAL ELÁSTICA
EM = K + UG + UE EM = mv2 /2 + mgh +1/2kx2
LAS FUERZAS NO CONSERVATIVAS Y LA ENERGÍA MECÁNICA
EmA + WFNC = EMb
LA ENERGÍA EN LAS COLISIONES
Colisiones elástica m1v1o + m2v2o = m1v1f + m2v2f
Colisiones inelásticas
m1v1o + m2v2o = (m1 + m2)v
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
LISTADO DE ECUACIONES GRADO 10 – MECÁNICA DE FLUIDOS
HIDROSTATICA
La densidad () = m / V
El peso específico = g
LA PRESIÓN (P)
La presión en los sólidos P = F/A
La presión en los líquidos P = hg
EL PRINCIPIO DE PASCAL
FA/AA = FB/AB
EL PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES
Fuerza de empuje FE = l gVsum FE = l gVdesp
LA PRESION EN LOS GASES
La presión atmosférica ( Patm ) Pgas = Patm + g h Llamada presión absoluta
HIDRODINAMICA
Ecuación de continuidad A1 v1 = A2 v2
Gasto volumétrico o caudal
Q = Av o Q = V/ t
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
ECUACIÓN DE BERNOULLI
P1 + ½ v21 + gh1 = P2 + ½ v22 + gh2
P + ½ v2 + gh = Constante
APLICACIONES DE LA ECUACION DE BERNOULLI
El tubo de Venturi P1 + ½ v21 = P2 + ½ v22
Teorema de Torricelli
v = (2gh)
LISTADO DE ECUACIONES GRADO 10 – ECUACIONES DE TERMODINAMICA
EQUILIBRIO TÉRMICO
Qa = – Qc
PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA CALÓRICA
Q a = – Qc La Ecuación Fundamental de la Calorimetría
CAPACIDAD TERMICA O CALORIFICA (C)
C = Q/T
CALOR ESPECÍFICO
ce = Q/m T Q = mceT
TRANSFERENCIA O TRANSMISION DE CALOR
Conducción del calor H = – kAT/e ó H = – kA (T1 – T2)/e
LA DILATACIÓN
Dilatación en sólidos – lineal L = Lo TL = Lo (1 + T)
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Dilatación superficial
A = σ Ao T A = Ao (1 + σT). Donde σ ≈ 2. Es decir, que A = Ao (1 +2T)
Dilatación volumétrica V = Vo T V = Vo (1 + T) ≈2σ. Es decir, que V = Vo (1 + 4T)
CALOR LATENTE
Q = mL
La energía cinética K = mceT + mLf
Calor específico desconocido
cX = ma ca (Te – Tia ) / m0 (Tix – Te)
LEYES DE LOS GASES
Ley de Boyle – Mariotte P1 V1 = P2 V2
- Al ser inversamente proporcionales la condición inicial y final es igual. Es un
proceso ISOTERMICO.
Ley de Charles V1/T1 = V2/T2
- Al ser directamente proporcionales las condiciones iníciales y finales son
iguales. Es un proceso ISOBÁRICO.
Ley de Gay – Lussac P1/T1 = P2/T2
- Al ser directamente proporcionales las condiciones iníciales y finales son
iguales. Es un proceso ISÓCORO.
Ley de los gases ideales P1V1T2 = P2V2T1
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
Ecuación de estado de los gases ideales PV = n RT
- R = 8,314 J/mol K, es conocida como constante de los gases ideales.
PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA (Conservación de la energía)
- E = QN –W principio de conservación de la energía
TRABAJO REALIZADO POR UN GAS:
W = PV
PROCESO ADIABATICO
Q = 0, E = –W
PROCESO ISOBARICO
E = Q – PV. Es una aplicación de la ley de Charles V1 / T1 = V2 / T2
PROCESO ISOTERMICO
Q = W (P1 V1 = P2 V2)
PROCESO ISOCORO (isométrico ó isovolumétrico)
E = Q Es una aplicación de la Ley de Gay—Lussac
LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA
- El calor no fluye de los cuerpos más fríos a los cuerpos más calientes Wneto = Q1 – Q2
EFICIENCIA DE LA MAQUINA TERMICA ( )
= 1 - Q2/Q1
CICLO DE CARNOT
Wneto = Q1 – Q2
EFICIENCIA DEL CICLO DE CARNOT
= (T1 – T2)/T1 = 1 - T2/T1
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
SOLUCIÓN DE ECUACIONES
Para plantear una solución se debe anotar primero los datos conocidos y luego los no conocidos de la siguiente forma
DATOS CONOCIDOS DATOS DESCONOCIDOS
DC DD
OBSERVACIONES:
Siempre se trabajara en el Sistema Internacional de unidades. Sólo excepcionalmente nos saltaremos esta norma.
Los cambios de unidades se realizaran siempre por factores de conversión.
Cualquier resultado (aunque sea intermedio) o medida debe ir siempre acompañado de su unidad.
Nunca es válido decir "no lo sé hacer...", siempre podemos (como mínimo)
llegar a la resolución.
Se debe leer cuidadosamente el problema planteado y sacar los datos que son dados, incluyendo aquellos que son constantes y por lo tanto no son mencionados pero se usa para la solución del problema.
Se debe leer cuidadosamente el problema planteado y sacar los datos que no son dados, es decir la (s) incógnita (s) para la solución del problema.
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
UNIDAD 8
TERMODINÁMICA
LOGRO MACRO
Identifica, describe, analiza y aplica los conceptos sobre el comportamiento
de la energía interna de los cuerpos y la variación de la temperatura, la transferencia de calor, sus consecuencias y el comportamiento de los mismos en los procesos termodinámicos.
INDICADORES DE LOGROS
Distingue las diferencias entre las escalas de temperatura.
Relaciona las expansiones lineal, superficial y volumétrica.
Analiza el comportamiento de las diferentes sustancias durante un cambio de fase.
Determina la relación entre la presión y el volumen de un gas.
Reconoce la diferencia entre calor y temperatura.
Proporciona explicaciones utilizando los conceptos de calor y temperatura.
Identifica la diferencia entre el calor específico y la capacidad calorífica de los cuerpos.
Describe la transferencia de calor en los cambios de estado.
Reconoce el comportamiento de los fluidos en general al ser expuestos a incrementos en la temperatura.
Formula hipótesis acerca del comportamiento de los gases ideales.
Proporciona explicaciones a partir de la teoría cinética de los gases.
Describe el comportamiento de sistemas sometidos a procesos termodinámicos, en términos de la primera ley de la termodinámica.
Describe la relación entre la segunda ley de la termodinámica y el desorden en el universo.
Evalúa los proyectos que desarrolla bajo la asesoría del docente.
Valora su desempeño en el periodo académico de acuerdo a los parámetros establecidos por la institución.
DESARROLLO COMPROMISOS PERSONALES Y SOCIALES
Reconoce y acepta el escepticismo de las compañeras de clase ante la
información que presenta. Cumple su función cuando trabaja en grupo y respeta las funciones de otras
personas. Reconoce los aportes de conocimientos diferentes al conocimiento científico.
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
MAPA CONCEPTUAL
TERMODINÁMICA
Estudia
Calor Temperatura Energía interna
Leyes de la Termodinámica
Depende de
Cambio Temperatura
Masa
Calor especifico
Calor latente
Interviene en
Fases de la materia
Dilatación
Son Líquida
Sólida
Gaseoso
En
Procesos Termodinámicos
Relacionados con
Calor
Trabajo
Relacionados con
Conservación de la energía
Entropía
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
TERMODINAMICA
Definición: Es el estudio de la transferencia de calor. En un estudio
intervienen variables de estado que corresponden al volumen, temperatura, presión y masa. Cuando se cambian las variables de estado se dice que sea realizado un proceso termodinámico, se consigue realizando trabajo sobre el cuerpo o aumentarle su energía interna.
Sistema: cualquier grupo
de átomos, moléculas, partículas u objetos en estudio termodinámico. Por ejemplo el agua dentro de un envase, el cuerpo de un ser vivo o la atmósfera. Un esquema se muestra en la figura.
Ambiente: todo lo que no pertenece al sistema, es lo que rodea al sistema, sus
alrededores. Por ejemplo el exterior al envase donde está el agua, o el espacio que rodea a la atmósfera (puede ser todo el Universo). Entre el sistema y el ambiente puede haber intercambio de calor y de energía y se puede realizar trabajo.
Sistema cerrado: sistema en el cual no entra ni sale masa, pero que puede
intercambiar calor y energía con el ambiente.
Sistema abierto: sistema que puede tener variación de masa, como por ejemplo intercambio de gases o líquidos, o de alimentos en los seres vivos.
Sistema cerrado aislado: sistema en el cual no se produce ningún intercambio
de calor o energía con el ambiente a través de sus fronteras. Daremos respuestas a preguntas como:
¿Qué es la temperatura?
¿Qué es el calor?
¿Qué es equilibrio térmico?
¿Por qué el aumento de la temperatura en algunos materiales hace que estos se expandan?
Empezamos por definir lo que es temperatura y calor estableciendo sus diferencias.
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
TEMPERATURA Y CALOR
TEMPERATURA
Es la medida de la energía cinética de las moléculas que constituyen el cuerpo. Es una propiedad de cada cuerpo.
A una temperatura determinada las partículas de un cuerpo tienen diferentes energías (se mueven a diferentes velocidades), cuando la temperatura asciende, el conjunto de las partículas se mueven más rápido (tienen más energía), aunque algunas pueden seguir siendo muy lentas, si la temperatura desciende, el conjunto de las partículas se mueve más lentamente (tienen menos energía), aunque algunas se muevan algo más rápidamente. Estas ideas son ciertas independientemente del número de partículas. Enlace de apoyo
- http://www.educaplus.org/gases/con_temperatura.html
Medida de la temperatura Para medir la temperatura se usan aparatos como el termómetro cuya característica principal es que la sustancia de referencia se dilata en presencia del aumento de la energía concentrada en un cuerpo, es decir, aumenta el volumen del fluido contenido en él. El más común es el de mercurio. Los termómetros miden, en principio, su propia temperatura.
Escalas de medición Dependiendo de la escala de medición en su punto inicial o final se conocen varias a continuación haremos la reseña de las más usadas.
Escala Centígrada o Celsius Punto inicial: 0, corresponde a la temperatura de solidificación del agua (hielo) Punto final: 100, corresponde a la temperatura de ebullición del agua (vapor) Todo a 1 atm de presión. Se representa por 0C
Escala Fahrenheit Punto inicial: 32 corresponde a la temperatura de solidificación del agua (hielo) Punto final: 212, corresponde a la temperatura de ebullición del agua (vapor) Se representa por 0F
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
Escala Absoluta o Kelvin:
Punto inicial o cero absoluto: -273 las moléculas están en inmovilidad total. Punto final: 373 es la ebullición del agua.
Relación entre las escalas:
- Celsius y Fahrenheit C = 5/9(0F – 32).
- Fahrenheit y Celsius F = 9/5 0C + 32.
- Celsius y Kelvin C = K – 273.
Determinación de Altas Temperaturas El termómetro de mercurio no puede utilizarse para temperaturas superiores a 350°C porque hierve a 360°C; pero se fabrican tipos con envoltura de cuarzo y atmósfera de nitrógeno que permiten utilizar el mercurio para medir hasta 750°C. Los instrumentos destinados a medir altas temperaturas se designan generalmente con el nombre de pirómetros. Consulta: la escala Rankine y su relación con las ya conocidas.
o Ejemplo La temperatura de 500C corresponde al valor que se encuentra en la mitad de los puntos de fusión y de ebullición del agua a una presión de una atmósfera. a) Expresar esta temperatura en función de las otras escalas, b) determinar la temperatura tal que su valor en grados centígrados coincida con el valor en grados Fahrenheit, c) El punto de ebullición del hidrógeno es –2590C. Expresa esta temperatura en las otras escalas.
Sugerencia ver ejemplo pagina 246 Física 1 Hipertexto Santillana.
o Example
Convert the following to equivalent temperatures on the Celsius and Kelvin scales: (a) the normal human body temperature, 98,6°F; (b) the air temperature on a cold day, - 5,0°F.
o Example
The temperature difference between the inside and the outside of an automobile engine is 450°C. Express this temperature difference on (a) the Fahrenheit scale; (b) the Kelvin scale and (c) the Rankine scale.
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
CALOR
Es una forma de energía que se transfiere de un cuerpo a otro. Es decir, el calor es energía en tránsito es un error afirmar que un cuerpo posea calor. Cuando dos cuerpos se someten a la transferencia de calor en algún momento alcanza cierto nivel de absorción, la cual se puede medir, podemos decir que ellos tiene igual temperatura pero distintas cantidades de calor, debido a que las masas son diferentes. Un cuerpo de menor masa absorbe más calor que otro de mayor en masa en menos tiempo. Pero al final la medida de esa cantidad de energía absorbida será la misma y la llamaremos temperatura.
Equilibrio térmico Supongamos que dos cuerpos A y B con diferentes temperaturas se ponen en contacto con otro cuerpo C cuya temperatura esta entre las de A y B el calor fluye del cuerpo de mayor T hacia el de menor T (Qc calor cedido) ya que éste tiene mayor energía calorífica y el otro está en capacidad de absorber calor (Qa calor absorbido), para elevar su temperatura, y luego de cierto tiempo las temperaturas quedan niveladas, es decir, Qa = -Qc El signo menos significa que el cuerpo pierde calor, al entrar en contacto. Lo anterior se conoce como:
Ley cero de la termodinámica Si dos objetos A y B están en equilibrio térmico con un tercer objeto C, podemos afirmar que A y B están en equilibrio térmico entre sí.
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LA MEDIDA DEL CALOR
Las experiencias realizada por el físico James Prescott Joule (1818 – 1889) acerca de la conservación de la energía, apuntaba el calor como una forma de energía. El calor no solo es capaz de aumentar la temperatura sino que además podía mover los cuerpos y realizar trabajo. Joule demostró que a partir de la realización de trabajo mecánico es posible producir determinada cantidad de calor. Al colocar dos cuerpos A y B en contacto con diferentes temperaturas al cabo de determinado tiempo los objetos alcanzan el equilibrio térmico. Se debe a que el objeto de mayor temperatura cede calor y el de menor temperatura absorbe dicho calor, hasta alcanzar una temperatura equilibrio. Por lo tanto el calor lo debemos entender como: Energía que se transfiere de un sistema a otro en virtud de una diferencia de temperatura.
Calorimetría La calorimetría estudia las cantidades de calor (Q) intercambiadas entre los cuerpos cuando interactúan entre ellos. Podemos decir entonces que el calor es una forma de energía en movimiento, que depende de la cantidad de sustancia y la temperatura inicial. Enlace de apoyo.
- http://www.educaplus.org/play-243-Calorimetría.html
Caloría (cal) Es la unidad utilizada para medir el calor definida como: la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 10C, cuando la temperatura del agua es de 14,50 C hasta 15,50C. Otras unidades son la Kilocaloría, 1Kcal = 1000cal. La unidad térmica Británica (BTU) que es la cantidad de calor que es necesario suministrar a una libra de agua, para aumentar su temperatura en 10F. Como la energía mecánica se da en Joule, se ha establecido una relación entre energía mecánica y calor llamada EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR. Esta relación la estableció el físico James Prescott Joule, y lo hizo en 1843, cuyo valor es 1cal = 4,186J. Con esta relación Joule demostró que el Q es una de las manifestaciones de la energía. En pocas palabras Q = W. Con este trabajo Joule zanjo la discusión sobre la naturaleza del calor y su relación con la capacidad de realizar trabajo.
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PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA CALÓRICA
De acuerdo al principio de conservación de la energía hace pensar entonces que el calor que un cuerpo cede debe ser igual al que otro cuerpo absorbe, es decir,
Q a = -Qc
Esta ecuación se le conoce como La Ecuación Fundamental de la Calorimetría. Al absorber o ceder calor por parte de una sustancia, esto depende de la naturaleza y cantidad de masa (m) que interviene en el proceso. Esta dependencia se le llama capacidad calorífica y calor especifico. Analizaremos tres casos donde la masa es un factor importante y luego se definirá capacidad calorífica y calor especifico.
Calor y variación de la temperatura Cuando un cuerpo absorbe calor, es posible que se produzca un aumento en su temperatura, mientras que, si el cuerpo cede calor es posible que su temperatura disminuya. Más adelante veremos casos donde esto no sucede, es decir, se suministra calor pero no aumenta la temperatura o cede calor y su temperatura no disminuye. Relación entre el calor suministrado y el aumento dela temperatura para una masa
constante de una sustancia. Relación entre el calor suministrado y la masa para un aumento constante de
temperatura de una misma sustancia.
Cuando se suministra calor a una sustancia y se produce un aumento de la temperatura, la cantidad de calor suministrado es directamente proporcional a dicho aumento de temperatura.
Cuando se suministra calor a diferentes masas de la misma sustancia y en todos los casos se produce el mismo aumento de la temperatura, el calor suministrado es directamente proporcional a la masa de la sustancia.
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Relación entre el calor suministrado y el material del cual está constituida la sustancia
para masas y aumentos de temperatura constantes.
Todos sabemos que el hielo flota en el agua líquida, lo que nos parece bastante normal. Esto ocurre porque el hielo (agua en estado sólido) tiene menor densidad que el agua en estado líquido; pero ello, si lo pensamos poco, es un comportamiento anómalo que nuestro modelo cinético molecular no explica en lo absoluto. En efecto, a partir de él debiéramos esperar que el hielo fuera más denso que el agua líquida y que, al reducir la temperatura del agua al congelarla, debiéramos esperar también que los iceberg se hundieran en el mar, que los lagos en el invierno empezaran a congelarse por el fondo, que los cubos de hielo se fueran al fondo de un vaso con agua, y que una botella llena de agua colocada en el congelador no se rompiera. Sin embargo, todo esto ocurre al revés. La razón es fácil de decir, pero muy difícil de explicar. En efecto, el agua, este líquido tan familiar, presenta un comportamiento anómalo entre los 4° C y los 0° C. El gráfico de la figura muestra la relación entre el volumen del agua en función de la temperatura. Como puede verse, en este rango de temperatura las cosas ocurren de un modo distinto. Al reducirse su temperatura de 4° C a 0° C, el volumen del agua se incrementa en vez de reducirse, con lo cual se reduce su densidad.
Consulta: ¿Por qué razón por debajo de las capas de hielo se puede encontrar vida acuática?
Cuando se suministra calor a iguales masas de diferentes sustancias en los cuales se produce iguales aumentos de la temperatura, el calor suministrado depende del material del cual están constituidas las sustancias.
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CAPACIDAD CALORICA Y CALOR ESPECÍFICO
La cantidad de energía en forma de calor que se requiere para cambiar la temperatura de una masa dada de materia, no es la misma para todos los materiales. Por ejemplo, el calor necesario para elevar la temperatura en un grado Celsius de un kilogramo de agua es 4186J, pero el calor necesario para elevar la temperatura en 10C de 1 kg de cobre es solo 387J.
Capacidad térmica o calorífica (C) Es la cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de una muestra de agua en 10C, por lo tanto se define como
C = Q / T, Aunque no aparece la masa, no es independiente de ella. Para definir más exactamente la capacidad calorífica se usa el concepto de calor específico. Cuando se coloca determinada cantidad de masa m a una temperatura To a una fuente de calor, el calor absorbido Q es proporcional a la masa m de ésta y a la variación de temperatura T = Tf - T0, esa constante de proporcionalidad llamada c depende de cada sustancia.
Calor específico Es la cantidad de calor que se debe suministrar a un gramo de sustancia para que su temperatura aumente 10C, viene dada por
ce = Q /m T Cuyas unidades son J / Kg.K o cal/gr.0C Cuanto mayor es el calor específico de una sustancia mayor es la cantidad de calor que deberá absorber para aumentar su temperatura. También se debe anotar que depende de la presión y el volumen de la misma. Así mismo, cuando se la temperatura disminuye en igual cantidad, la sustancia de mayor calor especifico debe ceder más calor. De las anteriores expresiones se puede relacionar por C = cem. Es decir que la capacidad calorífica de una sustancia podemos hallarla conociendo su calor especifico y la masa de la sustancia. También podemos calcular el calor absorbido o cedido por una sustancia, dependiendo de la masa m, el calor específico ce y el cambio en la temperatura T, mediante la relación Q = mceT. El calor absorbido será positivo si T = Tf - T0 > 0 y negativo si cede, es decir, T = Tf - T0 < 0.
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El calor específico es una característica que permite identificar un material y corresponde a su capacidad calorífica por unidad de masa. El calor Q suministrado a una sustancia o el calor cedido por la sustancia para que, respectivamente, se produzca un aumento o disminución de temperatura, depende de tres factores:
- De la masa (m) del cuerpo.
- Del calor específico ce.
- De la variación dela temperatura, T = Tf -- T0 donde T0 es la temperatura inicial y Tf es la temperatura final.
Se relaciona mediante la ecuación Q = mceT, donde T = Tf - T0 si la temperatura aumenta, entonces la temperatura final es mayor que la temperatura inicial y en consecuencia la variación de la temperatura T es positiva, luego el calor es positivo. Si la temperatura disminuye, entonces la temperatura final es menor que la temperatura inicial y en consecuencia la variación de la temperatura T es negativa, luego el calor cedido por la sustancia es negativo. En la tabla se resume algunos valores para ce de algunos materiales.
o Ejemplo
Comparar la cantidad de calor que se debe suministrar a 1000gr de agua para que su temperatura varíe de 400C a 700C, con la cantidad de calor que se debe suministrar a 1000gr de hierro para que su temperatura varíe entre los mismos valores. Sugerencia ver ejemplo pagina 249 Física 1 Hipertexto Santillana.
o Ejemplo Determina el calor necesario para elevar de 100C hasta 600C la temperatura de 500gr de leche.
o Ejemplo
Se mesclan 200gr de agua a 200C con 300gr de alcohol a 500C. Si el calor especifico del alcohol es 0,60 cal/gr0C, calcula la temperatura final se la mezcla.
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NOTA: Sabemos que dos cuerpos alcanzan equilibrio térmico cuando se transfiere calor desde el cuerpo que tiene mayor temperatura hacia el cuerpo que tiene menor temperatura. Es decir que el cuerpo cuya temperatura es menor absorbe una cantidad de calor Qabs igual en valor absoluto, aunque en diferente signo, que la cantidad de calor que cede -Qced el cuerpo que cuya temperatura inicialmente era mayor. Por tanto, tenemos:
Qabs = - Qced
o Problema
Para determinar el calor específico de cierto metal, se toma una pieza de 100gr de dicho metal a temperatura de 970C y se introduce en 200cm3 de agua a 80C contenidos en un vaso de icopor, al cual podemos suponer que absorbe calor. Una vez agitada el agua con la pieza de metal en su interior, la temperatura se estabiliza en 9,40C. Determinar el calor específico del metal e identificarlo según la tabla. Sugerencia ver ejemplo pagina 250 Física 1 Hipertexto Santillana.
o Problema Un trozo de metal de cierto de masa 0,02kg, se introduce en un horno hasta alcanzar 1500C de temperatura. Se extrae del horno y se sumerge rápidamente en un calorímetro que contiene 0,4kg de agua a temperatura ambiente de 180C. Con un termómetro se registra la temperatura de equilibrio igual a 230C. Determinar el calor específico del metal.
o Problema Una bala de plomo de 2 g de masa disparada con una rapidez de 300 m/s, se incrusta en un poste de madera. Suponiendo que toda la energía térmica generada durante el impacto permanece en la bala, calcular su cambio de temperatura.
o Problem A 0,0500 kg ingot of metal is heated to 200,0°C and then dropped into a beaker containing 0,400 kg of water initially at 20,0°C. If the final equilibrium temperature of the mixed system is 22,4°C, find the specific heat of the metal.
o Problema
Mezclamos 584 g de una sustancia de calor específico 0,54 cal/g0C, a la temperatura de 770C, con 451 g de otra sustancia, de calor específico 0,36 cal/g0C y 550C de temperatura. Determina la temperatura de equilibrio de la mezcla.
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Preguntas Tipo pruebas saber 11 1. Los recipientes sellados 1, 2, y 3 de las figuras contienen agua con volúmenes V, 2V y
3V respectivamente, a los cuales se les transfieren iguales cantidades de energía calorífica. La variación de la temperatura en el recipiente 2 es
a) mayor que en el 1 b) menor que en el 3 c) igual que en el 1 y el 3 d) mayor que en el 3. 2. El calor específico de un material se define como la cantidad de calor por unidad de
masa necesaria para elevaren un grado absoluto la temperatura de dicho material. Dos bloques de masas iguales, calores específicos distintos e inicialmente a temperaturas distintas, están en contacto térmico y aislados térmicamente del exterior. En relación con esta situación se hacen las siguientes afirmaciones:
I. Todo el calor que cede el bloque más caliente lo absorbe el más frío. II. La temperatura del bloque más caliente disminuye tanto como aumenta la del más
frío.
Respecto a estas afirmaciones se puede decir que a) Solo la II es correcta b) Ninguna de ellas es correcta c) Ambas son correctas d) Sólo la I es correcta. Responde las preguntas 3 y 4 con la siguiente información La siguiente gráfica representa la variación de la temperatura, T, para dos cuerpos, A y B del mismo material y de diferentes masas, en función del calor Q que se les suministra. 3. De lo anterior se puede afirmar que: a) El calor específico del material A es menor que el del material B puesto que Ce y Q
son directamente proporcional. b) La cantidad de calor es tanto mayor cuanto mayor es la masa a la cual se le está
suministrando energía. c) Los calores específicos son iguales puesto que alcanzan la misma T. d) No es posible afirmar cual es mayor puesto que no hay valores de Q y de T.
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4. Suponga ahora que los cuerpos son de diferentes materiales y se incrementan la
misma temperatura, se puede afirmar entonces:
a) La cantidad de calor es tanto mayor cuanto mayor es el Ce de la sustancia. b) La cantidad de calor es tanto menor cuanto mayor es el Ce de la sustancia. c) La cantidad de calor que se le debe suministrar a la sustancia debe ser el triple que
el de la otra sustancia. d) No es posible afirmar a que cuerpo se le debe suministrar más calor, puesto que no
hay valores de Q y T Responde las preguntas 5 y 6 con la siguiente situación Una varilla de hierro y otra de vidrio de igual masa son sumergidas en agua a 100oC. 5. Si la cantidad de calor transmitida a las varillas por el agua en un segundo es el
mismo, se puede afirmar que; a) La varilla de hierro alcanza primero el equilibrio térmico. b) La varilla de vidrio alcanza primero el equilibrio térmico. c) Las varillas alcanzan el equilibrio térmico simultáneamente. d) Las varillas no alcanzan el equilibrio térmico. 6. Si prácticamente la capacidad calórica del vidrio es el doble de la del hierro, la
gráfica de calor absorbido contra el aumento de la temperatura es:
7. La capacidad calorífica de un material se define como la cantidad de calor necesaria
para elevar en un grado absoluto la temperatura de dicho material. La capacidad calorífica de la arena en la playa es mucho menor que la del agua marina. El aire próximo a la superficie del mar tiene la. Misma temperatura que el agua marina. Igualmente, el aire próximo a la playa tiene la misma temperatura que la arena. De acuerdo con lo anterior, en un día soleado sin nubes y muy cerca de la superficie,
a) la arena se calienta más que el agua marina. b) la arena y el agua marina permanecen a temperatura constante. c) el agua marina y la arena se calientan en la misma cantidad. d) el agua marina se calienta más que la arena.
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TRANSFERENCIA O TRANSMISION DE CALOR
La experiencia demuestra que el calor producido por una fuente calorífica se propaga por todo el espacio que lo rodea y sucede cuando el medio y el sistema se encuentran a diferente temperatura, por lo tanto el calor se transfiere de un lugar u objeto que se encuentra a mayor temperatura, hacia un lugar u objeto que está a una menor temperatura. De acuerdo a la forma de transferencia hay tres tipos:
Conducción del calor La conducción es la transferencia de calor que se presenta solo en los sólidos. Si se calienta un extremo e una varilla metálica de forma que aumenta su temperatura, el calor fluye hasta el extremo más frio por conducción. Se debe a que las moléculas cercanas a la fuente de calor vibran de forma más rápida, de manera que transfieren su energía a las demás, esto significa que no hay desplazamiento de materia. Existen sólidos donde la transmisión del calor es mínima, razón por la cual funcionan como aislantes térmicos y otros que transfieren calor fácilmente y se les llama conductores térmicos. Los metales son especialmente conductores ya que tienen un número de electrones libes de valencia que pueden ser intercambiados con otros átomos. Conductividad térmica: la cantidad de calor que fluye, a través de un sólido, por
unidad de tiempo, es una característica propia de cada material y determina que tan buen conductor térmico es. A esta cantidad se denomina constante de conductividad o conductividad térmica, k, es propia de cada material. Sus unidades son Kcal/ms 0C o J/ms 0C.
Supongamos una lámina de espesor e, según la figura. Manteniendo sus dos caras a temperaturas diferentes T1 y T2, donde T1 > T2, luego hay una transferencia de calor, sea Q el flujo de calor, en determinado tiempo t, el cual depende del área A, a través de la cual se dará la transferencia, es decir, la rapidez con que se propaga el calor es directamente proporcional al área A de las caras.
A
Durante este proceso no hay movimiento real de materia
e
T1 > T2
T1
T2
Dirección del calor
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Sea H = Q /t, donde H es la variación del calor en el intervalo de tiempo y es proporcional al A y a T e inversamente al espesor e, dada matemáticamente por H = Q /t, más exactamente
H = - kAT / e ó H = - kA (T1 - T2) / e ¿Qué significa el signo menos en la ecuación? La conductividad térmica es una propiedad física de cada material. La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la propiedad física de oponerse al paso del calor. En la tabla se resume algunos valores para k de ciertos materiales comunes.
Sustancia Conductividad T Kcal/ms0C
Conductividad T J/ms0C
aluminio 5,0x10-2 238 acero 1,2x10-2 40 Cobre 9,2x10-2 397 plata 9,7x10-2 425
Vidrio común 1,9x10-4 0,84 Agua 1,4x10-4 0,56
Madera 1,7x10-5 3,36x10-5 0,08 0,16 Aire 5,7x10-6 0,023
Tejido humano 4,2x10-5 0,2 Asbesto 1,4x10-3 Corcho 1,0x10-4
Losa 1,6x10-3 Vidrio pírex 2,6x10-3
Vacío 0
o Problema El vidrio de una ventana de un edificio, mide 2 metros de ancho por 6 metros y tiene un espesor 0,5cm. Si la temperatura de la superficie exterior del vidrio es 300C y la temperatura de la superficie interior del vidrio es 200C, determinar cuanto calor se transfiere a través del vidrio durante 10 segundos, suponiendo que se trata de un vidrio pírex. Sugerencia ver ejemplo pagina 252 Física 1 Hipertexto Santillana.
o Problema En la sala de la casa de Ana hay una gran ventana de vidrio, por la que se presenta una pérdida significativa de calor, las medidas de la ventana son 3,5m x 1,2m y 3,2mm de espesor. Hallemos la variación de calor en la unidad de tiempo si la temperatura de exterior del vidrio es 130C y la temperatura interior del vidrio es 14,40C.
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o Problema
Una barra de aluminio se coloca en contacto térmico con una de acero; las dos barras tienen la misma longitud e igual área transversal. Uno de los extremos de la barra formada por estas dos se mantiene una temperatura de 900C, mientras que el otro extremo está a 250C. Determina la temperatura final en la unión.
o Problema
Considera una lámina de aluminio de 150cm2 de área y 2cm de espesor. Una de sus caras está a una temperatura de 400C mientras que la otra, en el extremo opuesto está a 200C. Hallar: H, H a los 5 segundos y lo que sucede si se duplica el espesor de la lámina. Consulta: ¿Cómo funciona un termo?
Convección Se había dicho que los gases y líquidos no son buenos conductores del calor, pero lo pueden transferir, de la siguiente forma (se entenderá que es para ambos): al calentar un fluido se calienta primero las capas inferiores debido a que el recipiente conduce el calor, a la sustancia, esta se dilata y disminuye su densidad con relación a las de la capa superior por lo tanto se eleva desalojando la masa fría y enviándola hacia abajo la cual se calienta y realiza el mismo proceso que en la primera parte. Estos movimientos se
llaman corrientes por convección.
Las corrientes de convección se generan, por ejemplo, en la atmosfera generan corrientes de viento afectando el clima. Otro ejemplo notable de corrientes por convección se ve en las costas, en donde la arena y el océano absorben distintamente el calor, esto genera corrientes de convección. Durante el día la costa se calienta con mayor facilidad que el mar; el aire caliente de la costa es empujado hacia arriba por el aire frio, que llega desde el agua para “tomar su lugar". Este movimiento da como resultado la brisa marina. En la noche la situación se invierte, es decir, el aire en la costa es más frio que el aire sobre el mar, lo que produce una corriente por convección hacia el océano.
Durante este proceso si hay movimiento real de materia.
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Radiación
En la conducción y la convección es necesaria la presencia de materia para que se den estos fenómenos, en la radiación no es necesario ya que se dan por ondas electromagnéticas emanadas de fuentes radiantes como el sol. Estas ondas están compuestas por luz, radiación ultravioleta, infrarrojos los cuales son portadores de energía calórica debido a su alto poder energético. Todo cuerpo cuya temperatura sea mayor al cero absoluto, emite radiación térmica que viene ser infrarroja, semejantes a las ondas luminosas; se propagan en línea recta y con una velocidad en el vacío de 300 000 km/s (también se propagan en cuerpos transparentes). Cuando inciden sobre un cuerpo opaco, estas absorben la energía transportada y se transforma en calor:
Pregunta Tipo pruebas saber 11
La radiación es un proceso de transferencia de energía mediante la transmisión de ondas electromagnéticas. Los cuerpos calientes, como el Sol, transmiten energía en forma de radiación térmica. Un objeto a una distancia x del Sol recibe una cantidad de energía directamente proporcional a su área transversal A, e inversamente proporcional a x2. La siguiente tabla muestra el área transversal y la distancia al Sol de cuatro satélites de Júpiter.
Con base en la información anterior, se puede concluir que A. Calisto recibe menos radiación porque es el más lejano del Sol. B. Ganimedes recibe más radiación del Sol porque tiene mayor área. C. Europa recibe más radiación porque es el más cercano al Sol y tiene menos área. D. los cuatro satélites reciben la misma radiación porque la distancia al Sol es similar.
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LA DILATACIÓN
Al aumentar la temperatura de una sustancia, sea sólida, líquida o gas, aumenta también el movimiento de las moléculas que lo forman, generando cierta separación entre sí. Esto provoca que dicha sustancia presente un incremento en relación a su tamaño, es decir, que se dilate. Caso contrario si la temperatura disminuye las moléculas se juntan y se reduce el tamaño de las sustancias, fenómeno denominado contracción.
Dilatación en sólidos La temperatura puede ocasionar cambios en las propiedades físicas de la materia, hasta en sus tres dimensiones. Conocidas como la dilatación lineal, superficial y volumétrica.
Dilatación lineal Se presenta cuando un sólido por acción de la temperatura cambia una sola dimensión del mismo. Si suponemos una varilla de longitud inicial Lo a una temperatura inicial To y se le suministra calor, de tal forma que pase a una temperatura T >To, veremos que la dilatación se da en forma proporcional al material del que está compuesto el cuerpo. Sea L el cambio en la longitud, sea T el cambio en la temperatura y Lo la longitud inicial de la varilla entonces L = Lo T, donde es el coeficiente de dilatación lineal y representa el aumento de longitud de cada unidad de longitud, cuanto la T sube 10C. Su valor depende del material, su unidad de medida es 0C-1. La ecuación se puede reescribir de la siguiente forma L = Lo (1 + T). L es directamente proporcional a T y L0. En la tabla se resume algunos valores para ∞ de algunos materiales
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o Ejemplo
Un ingeniero proyecta la construcción de un puente de acero de 40m de longitud. Si la diferencia de temperaturas durante el día es 250C. Determinar la longitud que debe dejar libre para que el puente se dilate sin deformarse. Sugerencia ver ejemplo pagina 254 Física 1 Hipertexto Santillana.
o Ejemplo Una barra de aluminio presenta una longitud de 12m a 180C. Determina, la variación de la longitud si la temperatura se incrementa a 400C y la longitud final de la barra.
o Example
A segment of steel railroad track has a length of 30000 m when the temperature is 0,0°C. What is its length when the temperature is 40,0°C?
Dilatación superficial
Se presenta cuando un sólido en forma de lámina por acción de la temperatura cambia sus dos dimensiones. Si suponemos una placa de área inicial Ao a una temperatura inicial To y se le suministra calor, de tal forma que pase a una temperatura T >To, veremos que la dilatación se da en forma proporcional al material del que está compuesto el cuerpo. Sea A el cambio en el área, sea T el cambio en la temperatura y Ao el área inicial de la placa entonces A = σ Ao T, donde σ es el coeficiente de dilatación superficial y representa el aumento del área en cada unidad superficial, cuanto la T sube 10C. La anterior expresión se puede escribir más exactamente A = Ao(1 + σT). Donde σ ≈ 2. Es decir, que A = Ao(1 +2T).
o Ejemplo Una lámina de cobre tiene 7cm2 de área a 180C. ¿Qué área tendrá a 600C? ¿Cuál es la variación?
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Dilatación volumétrica
Se presentara para cualquier material en tres dimensiones o confinado en un recipiente de tres dimensiones. Significa que se da la dilatación lineal en 3D, dado por V = Vo T donde V es el volumen del material más exactamente V = Vo(1 + T). Donde es el coeficiente de dilatación volumétrica y representa el aumento del volumen en cada unidad de longitud, cuanto la T sube 10 C. Además ≈3. Es decir, que V = Vo(1 + 4T) En la tabla se resume algunos valores para de algunos materiales
o Ejemplo
Un vaso de vidrio se llena completamente con 100cm3 de mercurio y se le aumenta de 200C a 900C. ¿Cuánto mercurio se ha derramado?
o Ejemplo Se llena a ras un recipiente de aluminio con 1000cm3 de agua. La temperatura del sistema es 400C. Si la temperatura disminuye en 150C, determinar cuánta agua a 150C debe añadirse para que el recipiente quede nuevamente a ras. Sugerencia ver ejemplo pagina 255 Física 1 Hipertexto Santillana.
o Ejemplo Un cuerpo de forma cúbica tiene una arista de 20 cm. Si al elevar la temperatura 1000C, la arista se ha dilatado un 5% a) ¿Cuánto vale su coeficiente de dilatación lineal? b) ¿Y su coeficiente de dilatación cúbica? ¿Cuánto vale su volumen al final?
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Dilatación de gases
Cuando aumenta la temperatura de un gas, pueden suceder dos fenómenos.
Si la presión no varía, el volumen del gas aumenta Esto se debe a que la energía comunicada por el gas se emplea en aumentar la energía cinética de las moléculas, aumentando así el volumen en forma proporcional al aumento de la temperatura. Gráficamente aumento de volumen
Si el volumen del gas no varía, la presión del gas aumenta Esto se debe a que no se produce una verdadera dilatación, ya que no hay cambio de volumen.
V1 T1
V2: 2V1
T2: 2T1
T1 < T2
V1 < V2
P1 < P2
V1 = V2
V1 P1
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LAS FASES DE LA MATERIA
Cambio de estado o fase
Cada una de las sustancias que nos rodea se encuentra normalmente en un estado físico característico, conocidos como: sólido, líquido y gaseoso. Sin embargo en estas tres fases las sustancias tienen un comportamiento distinto. Por ejemplo el aire en estado gaseoso, el agua en estado líquido o el hierro en estado sólido. Sin embargo sabemos que es posible encontrar sustancias en otros estados intermedios, por ejemplo el hierro fundido o gas comprimido el cual es líquido. Esto depende del tipo de sustancia, la temperatura, la presión ya que algunas sustancias bajo presión pueden cambiar su estructura molecular. Significa entonces que al modificar uno de estos factores es posible cambiar su estado. De allí el nombre que se les da: variables de estado. Enlaces de apoyo.
- http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=States_of_Matter
- http://www.educaplus.org/gases/estagregacion.html Las fases en la cual se encuentran las sustancias dependen de varios factores:
La estructura interna: Dicha estructura en los sólidos es más rígida que en los líquidos, en los, líquidos la separación molecular es mayor siendo en los gases mucho mayor.
La temperatura: Al someter un cuerpo a una fuente de calor este transfiere energía calorífica la cual aumenta la cinética en las moléculas provocando un movimiento de la misma y el alejamiento entre sí dicha separación llega a un punto de cercano al del siguiente estado.
La presión: La presión rompe los enlaces entre las moléculas separándolas y provocando su acercamiento a un punto de cambio en su estado.
Punto de fusión y de ebullición Son los valores donde una sustancia cambia de estado, en el punto de fusión los sólidos toman características de líquidos y el de ebullición donde la sustancia toma características de gas.
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Cuando se aumenta la temperatura de algunos sólidos como el plástico o el vidrio, observamos que su consistencia se empieza aparecer a la de un líquido a medida que aumenta la temperatura. A este tipo de sólidos se les conoce como sólidos amorfos. Los sólidos cuyo cambio a la fase líquida se produce a temperatura constante se denominan cristalinos. El hierro y el hielo son ejemplos.
Punto de fusión Es la temperatura a la cual se produce el cambio de la fase sólida a la fase líquida. El punto de fusión depende de la presión. Por ejemplo, el punto de fusión del hierro es 15300C, lo cual significa que cuando un bloque de hierro se encuentra a una temperatura de 15300C se le suministra calor, su temperatura no aumenta hasta tanto todo el bloque cambie de fase sólida a líquida.
Punto de ebullición
Es la temperatura a la cual se produce el cambio de la fase líquida a la fase gaseosa. El punto de ebullición depende de la presión. Por ejemplo, el punto de ebullición del mercurio es 3580C, lo cual significa que si a una cantidad de mercurio que se encuentra a una temperatura de 3580C se le suministra calor, su temperatura no aumenta hasta tanto el metal cambie de fase líquida y gaseosa, es decir, a vapor de mercurio. De acuerdo a lo anterior durante el tiempo en cual una sustancia cambia de fase, la temperatura de la sustancia no aumenta aun cuando se le suministre calor. Pero para lograr estos cambios hay que variar la temperatura, o sea calor al sistema, es decir, suministrar la energía necesaria para que se produzca un cambio de fase este calor depende de las sustancias, y se le llama calor latente.
CAMBIOS DE FASE Los cambios de fase de las sustancias se conocen con nombres característicos
Vaporización Es el paso de la fase líquida a la fase gaseosa. Se puede producir de dos maneras:
- La evaporización
Tiene lugar a cualquier temperatura, como sucede cuando se seca ropa al aire libre.
- La ebullición
Se observa la producción de burbujas dentro del líquido que tiene lugar a una temperatura característica para cada sustancia.
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
Condensación
Es cuando una sustancia cambia de la fase gaseosa a la fase líquida. Durante este proceso la sustancia cede calor, sin embargo su temperatura no disminuye y su valor es igual al punto de ebullición.
Solidificación Es cuando una sustancia cambia de la fase líquida a la fase sólida. Durante este proceso la sustancia cede calor, sin embargo la temperatura no disminuye y su valor es igual al punto de fusión.
Esquema de los cambios
CALOR LATENTE
Podemos variar el estado de una sustancia, variando la energía cinética de sus moléculas, cambiando su estructura molecular. Cabe anotar que entre cada estado hay unos intermedios donde coexisten el sólido y liquido o líquido y gaseoso, no hay cambios de temperatura, es decir permanece constante. La energía necesaria para que una sustancia cambie de estado se puede indicar mediante la expresión:
Q = mL
Definición: el calor necesario por unidad de masa de una sustancia determinada para que cambie de estado.
Donde m es la masa de la sustancia y L es una propiedad característica de cada sustancia. Sus unidades en el SI se miden en J/kg.
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
Hay dos tipos:
Calor latente de fusión (Lf): El calor necesario por unidad de masa que hay que suministrar para que una sustancia cambie de solido a líquido, es decir se funda.
Viene dado por
Qf = mLf
Calor latente de vaporización (Lv):
El calor necesario por unidad de masas que hay que suministrar para que una sustancia cambie de líquido a vapor, es decir se evapore.
Viene dado por
Qv = mLv
44
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
En la siguiente tabla se presentan los puntos de fusión y ebullición a 1atm de presión y los calores de latentes de fusión y de vaporización.
Enlace de apoyo.
- http://www.iesjorgemanrique.com:85/calculus/quimica2/Cambiosfase/curvacalentamiento.html
Sustancia
agua
plomo
oxigeno
mercurio
Punto de fusión (0C)
0
327
-223
-39
Punto de ebullición (0C)
100
1750
-183
358
Calor latente de fusión
(cal/gr)
80
5,5
3,3
2,8
Calor latente de
ebullición (cal/gr)
540
205
51
71
Sustancia
Zinc
aluminio Alcohol etílico
Plata
Punto de fusión (0C)
420
658
-117,3
960
Punto de ebullición (0C)
918
2057
78,5
2193
Calor latente de fusión
(cal/gr)
24
94
24,9
21
Calor latente de
ebullición (cal/gr)
475
2260
204
558
45
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
El siguiente esquema muestra el proceso para el agua en su cambio de estado. NOTA: la energía cinética de una sustancia se puede calcular de la siguiente manera
K = Qe + Qf K = mceT + mLf
El estudiante debe darse cuenta que ya conocemos dos fórmulas para calcular el calor: La primera fórmula se aplica cuando la temperatura varía: Q = CemΔT y la segunda fórmula se aplica cuando hay un cambio de estado; recuerda que “L” es el calor latente, puede ser de fusión o de vaporización, según sea el caso: Q = mL
o Ejemplo
Determinemos la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 30gr en estado sólido, a una temperatura de –250C, hasta una temperatura final de 450C, de acuerdo a la figura
Sugerencia ver ejemplo pagina 258 Física 1 Hipertexto Santillana.
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
o Ejemplo
El llanero solitario utilizaba balas de plata para combatir a sus enemigos. Determinemos la velocidad inicial de sus balas a 200C para que el calor disipado por esta, cuando alcance el reposo, sea justo el necesario para fundirla. Retomando el concepto de calorimetría, se puede calcular el calor específico de un material usando un aparato denominado calorímetro, el cual es un recipiente con un termómetro y un agitador. Supongamos que m0 es la masa de un objeto cuyo calor específico es cX y que la temperatura inicial del objeto es Tix se sumerge dentro del calorímetro con cierta cantidad de agua ma a una temperatura inicial Tia, cuyo calor especifico es ca, al mezclar se obtiene una temperatura Te, llamada temperatura de equilibrio del sistema. De acuerdo al equilibrio térmico.
Qabsorbido por agua = -Qcedido por el metal ma ca (Te - Tia) = mo cX (Tix - Te)
cX = ma ca (Te - Tia ) / mo(Tix - Te) Enlaces de apoyo.
- http://platea.pntic.mec.es/pmarti1/educacion/3_eso_materiales/b_ii/simulaciones/grafica_cambio_estado.htm
- http://comunidades.eafit.edu.co/Ministerio/skoool/fase2/quimica/change_of_s
tate-water/
o Problema Un trozo de cierto metal de masa 0,02kg, se introduce en un horno hasta alcanzar 1500C de temperatura. Se extrae del horno y se sumerge rápidamente en un calorímetro que contiene 0,4kg de agua a temperatura de 180C. Con un termómetro se registra la temperatura de equilibrio igual a 230C. A partir de esta información, determina el calor específico del metal e identificarlo.
o Problema Un pocillo de aluminio de masa 0,15kg a una temperatura inicial de 180C, se llena con 0,15kg de café a una temperatura inicial de 750C. Determina la temperatura final del sistema cuando alcanza el equilibrio térmico.
o Problema Un cubo de masa 100gr a temperatura de -200C se introduce en un recipiente en el cual se mantiene la presión constante y se le suministra calor hasta que en la fase gaseosa su temperatura sea de 1100C. Determinar la cantidad de calor que se debe suministrar durante el proceso.
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
COLEGIO DE LA SAGRADA FAMILIA
AREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL
TALLER 1 DE FISICA IV PERIODO
CALOR Y TEMPERATURA: TRANSFERENCIA, CALOR ESPECÍFICO
CALOR LATENTE – CAMBIO DE FASE
Responde las preguntas 1 y 2 de acuerdo a la siguiente información
Se tienen masas iguales de aluminio y plomo que se calientan a la misma temperatura.
Luego se colocan sobres bloques iguales de hielo. El calor específico del aluminio es
mayor que el del plomo.
1. Del análisis de la situación se puede asegurar que
a) Aluminio y plomo derriten cantidades iguales de hielo ya que transfieren una
cantidad igual de calor
b) El aluminio derrite más hielo, ya que transfiere a este más calor
c) El plomo derrite más hielo, ya que su calor específico es menor
d) El aluminio derrite más hielo, porque sufre una variación mayor de temperatura
2. La grafica de barra que mejor representa el calor cedido por el aluminio
(QAl) y el plomo (QPb) es
a) b) c)
d)
3. Si se suministran 204 calorías a 100 g de agua a 120 °C y a presión normal, la
temperatura del agua será:
a) 122,04 °C b) 102,4 °C c) 104,8 °C d) 96,84 °C
QAl QPb QAl QPb QAl QPb
QAl QPb
48
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
Responde las preguntas 4 y 5 de acuerdo a la siguiente información
Se realiza una experiencia de laboratorio con tres recipientes que contienen
inicialmente volúmenes de agua en proporción 1:1:2
El agua del segundo se traspasa al tercero, luego una tercera parte del tercer recipiente
se lleva al primero y por último la mitad del primero se vierte en el segundo.
4. Las temperaturas finales serán
a) 50 °C 50 °C 50 °C
b) 45 °C 45 °C 45 °C
c) 45 °C 55 °C 45 °C
d) 55 °C 50 °C 45 °C
5. La grafica de barra que muestra el resultado de la experiencia es
a) c)
b) d)
T0C
55
50
45
50°C
70°C
40°C
55
50
45
T0C
t t
T0C
55
50
45
t
55
50
45
t
T0C
49
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
6. Se introdujo una cuchara metálica a una temperatura Tc en una sopa “caliente” que
se encontraba a una temperatura superior Ts (Ts > Tc). La sopa estaba aislada del
medio ambiente: después de un tiempo, el sistema alcanza una temperatura de
equilibrio Te y se realizan las siguientes afirmaciones:
I. Te > Ts
II. Te < Tc
III. Te > Tc
IV. Te < Ts
De las anteriores afirmaciones, son correctas:
a) II y IV
b) III y IV
c) I y II
d) I y III
7. Los cuerpos experimentan dilataciones en su longitud con el aumento de
temperatura. La expresión que relaciona la longitud final (Lf) es
Lf =Lo (1 + ∞ (Tf –To))
Donde Lo es la longitud del cuerpo; ∞, es el coeficiente de expansión lineal que
depende del material del cuerpo; Tf, la temperatura final y To, la temperatura
inicial del cuerpo.
Un material A tiene un coeficiente de expansión lineal que es dos veces el
coeficiente de expansión de un material B. Si ambos tienen la misma longitud
inicial y son sometidos a los mismos cambios de temperatura es correcto afirmar:
a) El cambio en la longitud de los materiales es el mismo, porque sus cambios de
temperatura son los mismos.
b) El cambio en la longitud de los materiales es el mismo, porque sus longitudes
son las mismas.
c) El cambio en la longitud del material A será mayor a la del material B, porque
su coeficiente de expansión es mayor.
d) El cambio en la longitud del material A será menor a la del material B, porque
su coeficiente de expansión es mayor.
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
8. La conductividad térmica es la rapidez con que fluye el calor a través de una
superficie de contacto entre dos regiones con cierta diferencia de temperaturas.
Cuando se pisa con los pies descalzos la alfombra y el piso de mármol que están en
una misma habitación, da la sensación de que el mármol está más frío que la
alfombra. Esta sensación se debe principalmente a que:
a) La conductividad térmica de la alfombra es menor que la del mármol.
b) El calor específico de la alfombra es menor que la del mármol.
c) El calor específico de la alfombra es mayor que la del mármol.
d) La temperatura de la alfombra es menor que la del mármol.
9. Para convertir en vapor a 100°C, 10 g de agua que están a 20°C hay que suministrar:
a) 6190 cal
b) 840 cal
c) 800 cal
d) 1000 cal
10. Una varilla de cobre de 1 m de longitud se calienta incrementando su temperatura
en 10°C. La variación de su longitud será:
a) 0,16 m
b) 1,6x10–4 m
c) 1,6 m
d) 1,10 m
11. El calor específico del material de un cuerpo que tiene 200g de masa que aumenta
su temperatura en 20°C cuando se le suministran 1000 calorías es:
a) 200 cal/g°C
b) 0,25 cal/g°C
c) 20 cal/g°C
d) 1 cal/g°C
12. La eficiencia de una máquina térmica que absorbe de la fuente caliente 400 cal y
cede a la fuente más fría 100 cal es:
a) 75% b) 66% c) 33% d) 25%
51
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
13. Un depósito contiene 100 g de agua a 20 °C. Se vierten en su interior 200 g de agua
a 80 °C. Suponiendo que todo el calor perdido por el agua caliente haya sido
absorbido por el agua fría, la temperatura de la mezcla será:
a) 60 °C
b) 30 °C
c) 55 °C
d) 45 °C
14. La siguiente grafica muestra la relación que existe entre la medida de la
temperatura en grados Fahrenheit y Celsius.
15. Los siguientes termómetros muestran la relación entre las escalas Kelvin, Celsius
y Fahrenheit
a) -273 y -32
b) -273 y 32
c) 273 y 32
d) 32 y 273
0F
0C
176 104 32 -40
-80 -40 0 40 80
La temperatura a la cual las dos escalas coinciden es
a) 0F = -40
b) 0F = 32
c) 0F = 0
d) 0F = 40
Kelvin Celsius Fahrenheit
00 A
B
52
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
16. Se hace un agujero en una lámina de hierro con una puntilla del mismo material. La
puntilla se desliza justamente por el orificio. Ambos objetos, lámina y puntilla, se
calientan hasta la misma temperatura. Después de calentarlos se puede esperar
que la puntilla
a) No entre en el agujero porque se dilató, mientras que el agujero se cierra un
poco.
b) Entre justamente en el agujero, ya que ambos objetos se dilataron en la misma
proporción
c) Entre más fácilmente en el agujero ya que el diámetro de éste se amplió más
que el diámetro de la puntilla
d) Entre más fácilmente en el agujero, porque su diámetro no aumentó, pero el
del agujero sí
17. Se tiene agua fría a 100C y agua caliente a 500C y se desea tener agua a 300C, la
proporción de agua fría y agua caliente que se debe mezclar es
a) 1:1
b) 1:2
c) 1:4
d) 1:5
18. Se tiene un recipiente de aluminio de masa m1 que contiene una masa m2 de agua,
en equilibrio térmico T1. Luego se introduce un bloque de hierro de masa m3 a
temperatura T3, tal que T3 > T1. Los calores absorbidos o cedidos por el recipiente,
el agua y el bloque son respectivamente Q1, Q2 y Q3. De la anterior información es
correcto afirmar
19. Se tiene una barra metálica de longitud Lo a temperatura To inicialmente. La barra
se dilata o encoge debido a cambios de temperatura, obedeciendo la ley
ΔL = ∞ LoΔT donde ΔL y ΔT son los cambios de longitud y temperatura
respectivamente, y a es una constante de dilatación para cada material.
L0, T0
c) (Q1 + Q2 )abs = (Q3)ced
d) (Q1 + Q2 )ced = (Q3)abs
a) (Q2 )abs > (Q3 + Q1)ced
b) (Q2 )abs = (Q3 + Q1)ced
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
La banda se somete a cambios de temperatura. Se obtiene la siguiente gráfica de ΔL en función del tiempo
La diferencia de temperaturas entre t = 0 min y t = 8 min es
a) 2/30∞
b) 1/20∞
c) 1/60∞
d) 1/30∞
20. En una noche cálida de verano, sin viento, con la temperatura ambiente de 380C,
Clara tiene que permanecer mucho tiempo en la cocina de su casa. Para no sentir
calor, decidió tomar agua y dejar abierta la puerta del refrigerador, con el
propósito de enfriar la cocina. En el interior del refrigerador la temperatura era de
00C. Analice la situación que permite decir que el objetivo de clara.
a) Será alcanzado, pues el refrigerador hace el mismo papel de un acondicionador
de aire, disminuyendo la temperatura
b) No será alcanzado, pues el refrigerador va a transferir calor de la cocina para la
propia cocina y eso no constituye un proceso de enfriamiento
c) Será alcanzado, pues alcanzado el equilibrio térmico, la cocina tendrá su
temperatura reducida
d) No será alcanzado, pues con la puerta del refrigerador abierta, tanto la cocina
como el propio refrigerador tendrán sus temperaturas elevadas al recibir calor
de Clara
21. De las siguientes temperaturas de 1 litro de agua a presión de 1 bar, la menor es
a) 273 K b) 320F c) -50C d) 250 K
t (min)
L0/20 L0/20 L0/20
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
ΔL
54
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
Responde las preguntas 22 y 23 de acuerdo a la siguiente información
El calor específico de una sustancia está definido por la expresión
Ç = Q / mΔT. En donde Q es el calor que es necesario suministrar a la unidad de masa
de esa sustancia para que temperatura aumente en una unidad. Se tiene un
calorímetro (recipiente construido para aislar térmicamente su contenido del
anterior) de masa despreciable, con una masa igual M a temperatura T.
22. Se introduce un cuerpo de masa m a temperatura T0. Si T0 > T, la temperatura Tf
a la cual llegará el sistema al alcanzar el equilibrio térmico, es
a) To
b) T
c) Menor que T
d) Menor que To pero mayor que T
23. Si Tf es la temperatura final del conjunto y Ç1 es el calor específico del agua Ç2 el del
cuerpo de masa m, el calor ganado por la masa de agua M es
a) M Ç2( Tf - T0 )
b) m Ç2( Tf - T0 )
c) M Ç1( Tf - T )
d) m Ç1( Tf - T )
T
Tf
55
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
Conteste las preguntas 24 y 25 de acuerdo con la siguiente información
Se han calientan dos masas iguales (100 gr) de agua y alcohol, con el mismo mechero. Se produce entonces un aumento de temperatura tal como se indica en la tabla.
t(min) 0 1 2 3 4 5
Tagua0C 20 25 30 35 40 45
Talcohol0C 20 27,6 35,2 42,8 50,4 58
24. La cantidad de calor que desprende el mechero cada minuto será:
a) 200 cal b) 500 cal c) 1000 cal d) 80 cal
25. De ordinario, al colocar un recipiente con agua, al hervir se producen burbujas, que
persisten hasta que el agua se evapora por completo. Podemos afirmar que éstas
son debidas al:
a) Aire que está contenido en el agua y es expulsado.
b) Hidrogeno y al oxigeno
c) Agua que al evaporarse se convierte en agua gaseosa
d) Hidrógeno por ser menos denso que el oxigeno
26. La figura muestra la densidad de un 1kg de agua a 1atm de presión como función de la temperatura.
Al poner un cubo de hielo de 10cm de lado a 0°C (densidad: 0.9998 kg/cm3) dentro de un recipiente con agua a 18°C, el hielo
a) se hunde completamente quedando suspendido en el agua. b) flota con un 1% de su volumen emergiendo del agua. c) se va al fondo del recipiente. d) flota con el 18% de su volumen emergiendo del agua.
56
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
COLEGIO DE LA SAGRADA FAMILIA
AREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL HOJA DE RESPUESTAS – CALOR Y TEMPERATURA: TRANSFERENCIA, CALOR ESPECÍFICO
CALOR LATENTE – CAMBIO DE FASE
NOMBRE: GRADO 10°:
Rellene el cuadro cuya letra es la respuesta correcta. Hazlo con lapicero. Rellenar más de una opción anula la respuesta. No se permiten tachones ni enmendaduras.
N° OPCIONES
1 A B C D E
2 A B C D E
3 A B C D E
4 A B C D E
5 A B C D E
6 A B C D E
7 A B C D E
8 A B C D E
9 A B C D E
10 A B C D E
11 A B C D E
12 A B C D E
13 A B C D E
14 A B C D E
15 A B C D E
16 A B C D E
17 A B C D E
18 A B C D E
19 A B C D E
20 A B C D E
21 A B C D E
22 A B C D E
23 A B C D E
24 A B C D E
25 A B C D E
26 A B C D E
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
COLEGIO DE LA SAGRADA FAMILIA
AREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL
TALLER 2 DE FISICA IV PERIODO
CALOR Y TEMPERATURA: TRANSFERENCIA, CALOR ESPECÍFICO
CALOR LATENTE – CAMBIO DE FASE
1. La grafica de temperatura contra tiempo será entre el agua y el alcohol:
a) c)
b) d)
Responde las preguntas 2, 3 y 4 de acuerdo a la siguiente información
En los procesos termodinámicos es difícil ver la línea que separa la parte física y
química del proceso de disolución. La parte física es la suspensión del azúcar en el
disolvente (agua). El azúcar queda disuelto en el seno del líquido, distribuida
homogéneamente.
t
t
T
t
T
t
T vv
T
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
60
50
40
30
20
60
50
40
30
20
60
50
40
30
20
Agua
Alcohol
60
50
40
30
20
Agua
Agua
Agua
Alcohol
Alcohol Alcohol
b)
58
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
La parte química es el “proceso” para que el azúcar se disuelva en el agua (disolución).
En este caso es a través de fuerzas electrostáticas y de otro tipo, resumiendo…el agua
rodea a la molécula de azúcar y de esta forma la disuelve. El agua es el disolvente más
utilizado.
2. Al disolver agua con azúcar, una de las propiedades termodinámicas que representa
es que hierve a una temperatura
a) Mayor y se congela a una temperatura menor
b) Menor y se congela a una temperatura menor
c) Mayor y se congela a una temperatura mayor
d) Menor y se congela a una temperatura mayor
3. El punto de ebullición de un líquido se define como la temperatura para la cual la
presión de vapor es igual a la presión exterior (generalmente 1 atm). Consideremos
el caso en el cual se disuelve una sustancia no volátil (como azúcar) en un líquido
volátil (como agua). La grafica nos puede mostrar que la presión de vapor del agua
a) Aumenta a medida que se disuelve azúcar, por lo que cabe esperar un cambio en
el punto de ebullición.
b) Permanece constante a medida que se disuelve azúcar, por lo que cabe esperar
un cambio en el punto de ebullición.
c) Disminuye a medida que se disuelve azúcar, por lo que cabe esperar un
cambio en el punto de ebullición.
d) Disminuye a medida que se disuelve azúcar, por lo que cabe esperar que el
punto de ebullición permanezca constante
4. En un termo hay x gramos de agua a temperatura de To. Al termo son adicionados y
gramos de azúcar a temperatura de T1, con T1 > To. La temperatura final del agua
con azúcar es de
a) Tf > To b) Tf = T1 c) To <Tf < T1 d) Tf < To
T o T
T
Atm
Solvento puro Solución
59
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
5. Una placa circular con un orificio en el centro, como muestra la figura, se calienta. El
esquema que mejor representa la placa a una temperatura mayor es
Responde las preguntas 6 y 7 de acuerdo a la siguiente información
El grafico muestra el diagrama de fases del CO2, siendo B el punto triple para el CO2,
donde coexisten las fases sólida, líquida y gaseosa.
6. Para lograr una sublimación del CO2, inicialmente en el punto A, es correcto afirmar
que se puede
a) Mantener constante la presión y aumentar a temperatura
b) Disminuir la presión hasta 5,2 atm
c) Disminuir la presión por debajo de 5,2 atm y aumentar la temperatura por
encima de -570C
d) Disminuir la temperatura ya aumentar la presión
7. En los puntos A, C y D el CO2 está respectivamente en las fases
a) Vapor – Líquido – Sólido
b) Sólido – Vapor – Líquido
c) Líquido – Vapor – Sólido
d) Sólido – Líquido – Vapor
P(atm)
-57 20 31
73
56
T(0C)
A D
C
B 5,2
b)
60
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
8. La figura representa la temperatura T en función del calor Q por 10 gramos de un
líquido inicialmente a 0°C.
La temperatura de ebullición del líquido y el calor de vaporización respectivamente
son:
a) 80 y 2000 b) 100 y 2000 c) 120 y 80 d) 200 y 80
9. Una lámina A de masa m a 0°C se une con otra lámina B de masa 3m de 100°C, se
supone que la conducción del calor se produce sin pérdida de energía al entorno. Si
la temperatura final de las láminas es de 25°C, indique la relación de los calores
específicos.
a) CA = 2CB b) CA = 3CB c) CA = 9CB d) CA = 3/4 CB
Responde las preguntas 10 y 11 de acuerdo a la siguiente información
El calor latente se presenta en los cambios de estado de una sustancia cualquiera, para
cada sustancia el calor de fusión y el de vaporización son diferentes. De acuerdo con la
gráfica
61
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
10. El calor de vaporización de la sustancia X, será:
a) Menor que el calor de fusión de la sustancia Y
b) Igual que el calor de condensación de la misma sustancia X
c) Igual al calor de sublimación de la sustancia Y
d) Menor que el calor de solidificación de la misma sustancia X
11. Con respecto a los puntos de fusión y ebullición podemos decir que:
a) El punto de fusión de la sustancia Y es mayor que el punto de fusión de la
sustancia X
b) El punto de ebullición de la sustancia Y es igual que el punto de ebullición de la
sustancia X
c) El punto de fusión de la sustancia Y es igual que el punto de fusión de la
sustancia X
d) El punto de fusión de la sustancia Y es igual que el punto de ebullición de la
sustancia X
12. Si calentamos dos cuerpos diferentes de igual masa y a la misma temperatura con
un mismo foco calorífico, ¿Cuál se calentará antes?
a) El de menor calor específico
b) Se calentaran a la vez
c) El de mayor calor especifico
d) Depende de la cantidad de calor del foco
13. La energía interna de un gas perfecto depende de su:
a) Volumen
b) Temperatura
c) Presión
d) Capacidad calorífica.
62
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
Responda las preguntas 14, 15 y 16 de acuerdo con la siguiente información.
La gráfica muestra la densidad de una sustancia sólida en función de la temperatura.
14. El volumen en cm3 de 5 kg de esta sustancia a la temperatura de 5°C es
a) 0,625
b) 6,25
c) 62,5
d) 625
15. El volumen de estos 5 kg cambia al variar su temperatura. Con base en la gráfica se
puede concluir que su volumen es
a) Mínimo cuando su temperatura es de -15°C.
b) Mínimo cuando su temperatura es de 5°C.
c) Máximo cuando su temperatura es de 5°C.
d) Mínimo cuando su temperatura es de +15°C.
16. Si se toma un bloque de esta sustancia a temperatura T = 100C y se coloca en una
tina con agua a temperatura T = 200C es correcto afirmar que al cabo de cierto
tiempo el
a) Peso del bloque ha aumentado.
b) Peso del bloque ha disminuido.
c) Volumen del bloque ha aumentado.
d) Volumen del bloque ha disminuido.
63
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
17. En la siguiente gráfica se observa el comportamiento del volumen de 1 g de agua
cuando se le aplica calor a presión atmosférica.
De acuerdo con la
información contenida
en la gráfica la
temperatura para la cual
la densidad del agua es
máxima es
a) 80C b) 160C c) 00C d) 40C
Conteste las preguntas 42 y 43 de acuerdo con la siguiente información
18. Un cuerpo sólido de capacidad calorífica C está a la temperatura ambiente T0. El
cuerpo comienza a recibir calor a razón de A calorías por segundo, mientras
simultáneamente cede calor al medio ambiente a razón de B (T – To) calorías por
segundo en donde T es la temperatura del cuerpo y A y B son constantes. De las
siguientes gráficas la que corresponde a la temperatura T de ese cuerpo en función
del tiempo, es
a) b)
b) d)
Tf TO
Tf TO
t
t
Temperatura
Temperatura
Tf TO
t
Tf TO
Temperatura
Temperatura
t
c)
64
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
19. Siendo Δt un pequeño período de tiempo y ΔT el correspondiente cambio de
temperatura del cuerpo durante este período, la expresión que representa la
conservación de energía es
a) A Δt = C ΔT – B (T - To ) ΔT
b) A Δt = C ΔT + B (T - To ) Δt
c) A Δt + C ΔT = B (T - To ) Δt
d) B (T - To ) + A Δt = C ΔT
Responda las preguntas 44 y 45 de acuerdo con la siguiente información
Dentro de una caja hermética, de paredes totalmente aislantes y al vacío, se halla un trozo de hielo a -20oC. La caja contiene una bombilla inicialmente apagada.
20. Mientras la bombilla permanece apagada la gráfica que muestra la temperatura del
hielo en función del tiempo es
a) b)
c) d)
t
t
T
t
T
t
T
T
c)
65
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
21. Estando el trozo de hielo a -20oC se enciende la bombilla. A partir de este instante,
acerca de la temperatura del trozo de hielo se puede afirmar que
a) No cambia, puesto que no hay materia entre la bombilla y el hielo para el
intercambio de calor
b) Va aumentando, porque la radiación de la bombilla comunica energía cinética a
las moléculas del hielo
c) No cambia puesto que no hay contacto entre la superficie de la bombilla y la del
hielo
d) Aumenta, porque la luz de la bombilla crea nueva materia entre la bombilla y el
hielo, que permite el intercambio de calor
22. Se dispone de tres líquidos miscibles A, B, C, de calores específicos a, b y c, a 20, 15
y 6 grados centígrados de temperatura respectivamente; se mezclan 100 g de A
con 200 g de B y la temperatura de equilibrio es 17°C; se mezclan 200 g de B con
300 g de C y la temperatura de equilibrio es de 10°C; ¿cuál será la temperatura de
equilibrio al mezclar 100 g de A con 300 g de C?
a) 10,87 °C b) 14,62 0C c) 8,75 °C d) 12,86 °C
23. Elena después de almorzar pone a hervir agua en una
tetera. En el proceso de calentamiento del agua está
presente la transferencia de energía térmica en forma
de:
I. Convección
II. Conducción
III. Radiación
a) Sólo I b) Sólo II c) Sólo III d) Sólo I y II
24. Dentro de una probeta de vidrio con coeficiente de expansión volumétrica βv hay
un líquido, de coeficiente de expansión volumétrico βl, hasta una altura h. (βv < βl).
Cuando se aumenta la temperatura del sistema, es cierto que
a) La altura del líquido disminuye, porque el recipiente de vidrio aumenta su
tamaño
b) La altura del líquido aumenta, porque, el recipiente de vidrio se contrae
c) La altura del líquido aumenta pues su volumen aumenta más que el volumen
del recipiente de vidrio
d) La altura del líquido disminuye pues su volumen aumenta menos que el del
recipiente de vidrio
66
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
25. Por la mañana cuando vamos al baño, pisamos el
tapete y luego la baldosa, sintiendo “más fría” la
baldosa que el tapete figura 1.
Al medir la temperatura del tapete y de la baldosa se
encuentra que están a la misma temperatura figura
2. De lo anterior se afirma que
a) La baldosa absorbe calor más rápido que el tapete
b) El tapete absorbe calor más rápido que la baldosa
c) La baldosa absorbe calor y el tapete no
d) El tapete absorbe calor y la baldosa no
26. A un recipiente con hielo, inicialmente a una temperatura de -300C, se le
suministra calor (Q) por medio de una estufa hasta que alcanza una temperatura
de 1300C. La relación entre la cantidad de calor (Q) y la temperatura (T) para el
hielo se muestra de manera cualitativa en la siguiente gráfica:
De acuerdo con la gráfica, ¿en qué zona se puede tener agua líquida y vapor de
agua simultáneamente?
a) 2
b) 3
c) 4
d) 5
67
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
COLEGIO DE LA SAGRADA FAMILIA AREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL
HOJA DE RESPUESTAS 2 – CALOR Y TEMPERATURA: TRANSFERENCIA, CALOR ESPECÍFICO
CALOR LATENTE – CAMBIO DE FASE
NOMBRE: GRADO 10°:
Rellene el cuadro cuya letra es la respuesta correcta. Hazlo con lapicero. Rellenar más de una opción anula la respuesta. No se permiten tachones ni enmendaduras.
N° OPCIONES
1 A B C D E
2 A B C D E
3 A B C D E
4 A B C D E
5 A B C D E
6 A B C D E
7 A B C D E
8 A B C D E
9 A B C D E
10 A B C D E
11 A B C D E
12 A B C D E
13 A B C D E
14 A B C D E
15 A B C D E
16 A B C D E
17 A B C D E
18 A B C D E
19 A B C D E
20 A B C D E
21 A B C D E
22 A B C D E
23 A B C D E
24 A B C D E
25 A B C D E
26 A B C D E
68
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
LOS GASES La temperatura, la presión y el volumen nos permiten describir las características de los gases bajo determinadas condiciones. A dichas variables se les denomina variables de estado. El comportamiento de los gases cuando se comprimen, se dilatan, se someten a descargas eléctricas o se combinan entre sí, han aportado mucha información acerca de su comportamiento y características, ha llevado a la formulación de leyes que describen dichas observaciones de manera general.
Teoría cinética de los gases
Para la física, la química y la biología es de gran ayuda la caracterización de la materia en estado gaseoso. Describiremos el comportamiento de los gases en función de tres variables, la presión P, el volumen V y la temperatura T, las cuales llamaremos variables macroscópicas. Asumiremos que los gases son compresibles, es decir, el volumen puede ser reducido o expandido sin mayor dificultad.
Coordenadas Termodinámicas Es la representación gráfica de la variación de la presión, el volumen o la temperatura en un cambio de estado.
Postulados básicos Para el estudio de la teoría cinética es necesario tomar los gases como un conjunto de partículas (átomos o moléculas) que se encuentran en rápido y continuo movimiento. Se resumen en los siguientes postulados:
Se tiene un gran número de partículas N, cada una de masa m, que se mueven continuamente, luego cada una tendrá energía cinética K y cantidad de movimiento p.
Las moléculas chocan elásticamente con las paredes el recipiente y entre sí. Este estado se conoce como agitación térmica. Esta característica es mayor siempre que la energía cinética del gas lo sea.
La temperatura es directamente proporcional a la energía cinética del gas, es
decir, a mayor agitación térmica.
Las moléculas ejercen presión sobre las paredes del recipiente y viene dada por P = FR / A, donde FR es la fuerza resultante que actúa en el recipiente.
Enlaces de apoyo.
- http://www.educaplus.org/play-132-La-presión-según-la-TCM.html
- http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Gas_Properties
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
LEYES DE LOS GASES
El comportamiento de los gases ha llevado la formulación de leyes de acuerdo a las variables de estado que intervienen estos son:
Ley de Boyle – Mariotte Si tenemos un gas encerrado en un recipiente, lo caracterizamos por el volumen, la presión y la temperatura. Supongamos un gas confinado en un recipiente a temperatura constante, cuando presionamos un embolo el gas en el interior del recipiente disminuye su volumen, llegado el momento no es posible seguir comprimiéndolo, por más que aumentemos la presión. Enlace de apoyo. - http://www.juntadeandalucia.es/averroes/recursos_informaticos/andared02/leye
s_gases/index.html - http://www.educaplus.org/play-117-Ley-de-Boyle.html Definición: Para un gas que se encuentra confinado a temperatura constante, P y V
son inversamente proporcionales y su producto igual a una constante. Donde la presión P es externa.
Matemáticamente P 1/∞ V o más exactamente P V = c, donde c es una constante. De manera más general P1 V1 = P2 V2 Al ser inversamente proporcionales la condición inicial y final es igual. Es un proceso ISOTERMICO. La anterior ley se debe al químico irlandés Robert Boyle (1627 – 1691)
o Ejemplo Un depósito que contiene gas propano tiene un volumen de 500m3 a una presión de 4 atm. Determinar cuántos cilindros de 200 L de capacidad a presión 2 atm y a la misma temperatura se podrían llenar con la masa de gas contenida en el depósito.
o Ejemplo Un gas ocupa un volumen de 10 Litros cuando se encuentra sometido a una presión de 1 atm. Si la temperatura permanece constante y se aumenta la presión hasta ocasionar que ocupe un volumen de 9 litros, calcula presión a la que es sometido el gas.
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
Sugerencia ver ejemplos pagina 262 Física 1 Hipertexto Santillana.
o Ejemplo Un gas se mantiene a temperatura constante. Si su presión varía de 1,5 atm hasta 3,5 atm y su volumen inicial es de 1 litro, determinemos la variación de su volumen.
Ley de Charles Si tenemos un gas encerrado en un recipiente, lo caracterizamos por el volumen, la presión y la temperatura. Supongamos un gas confinado en un recipiente a presión constante, cuando aumentamos la temperatura (el volumen) el gas en el interior del recipiente aumenta su volumen (la temperatura), llegado el momento no es posible seguir, por más que aumentemos la temperatura (el volumen).
Definición: Para un gas que se encuentra confinado a presión constante, T y V son directamente proporcionales y su producto igual a una constante. Donde T se da en Kelvin.
Matemáticamente T ∞ V o más exactamente V/T = c, donde c es una constante. Gráficamente De manera más general
V1 / T1 = V2 / T2 Al ser directamente proporcionales las condiciones iníciales y finales son iguales. Es un proceso ISOBÁRICO. La anterior ley se debe al químico francés Jacques Charles Enlace de apoyo. - http://www.educaplus.org/play-118-Ley-de
Charles.html?PHPSESSID=66c26f1d4bd5fd10ab446af5f464231a
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
o Ejemplo
Un gas ocupa a 9 litros a 500C. Si el volumen del gas se aumenta en una tercera a presión constante, hallemos la temperatura final y la variación en la temperatura del gas.
Ley de Gay-- Lussac Si tenemos un gas encerrado en un recipiente, lo caracterizamos por el volumen, la presión y la temperatura. Supongamos un gas confinado en un recipiente a volumen constante, cuando aumentamos la temperatura (la presión) el gas en el interior del recipiente aumenta su presión (la temperatura), llegado el momento no es posible seguir, por más que aumentemos la temperatura (la presión).
Definición: Para un gas que se encuentra confinado a volumen constante, T y P son directamente proporcionales y su producto igual a una constante. Donde T se da en Kelvin.
Matemáticamente T ∞ P o más exactamente P/T = c, donde c es una constante. Gráficamente De manera más general
P1 / T1 = P2 / T2 Al ser directamente proporcionales las condiciones iníciales y finales son iguales. Es un proceso ISÓCORO.
o Ejemplo Calcula la presión de un gas que está a 750C, si a 2 atm su temperatura es 500C, cuando su volumen permanece constante.
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
Ley de los gases ideales
La Ley de Gay--Lussac y la Ley de Boyle – Mariotte pueden ser combinadas en una sola ley que relacione las tres variables de estado.
Definición: Para la masa de cualquier gas, el producto de la presión y el volumen son directamente proporcionales a la temperatura del gas medida en grados Kelvin.
Matemáticamente se escribe P V/ T = c, de donde P V = cT, donde c es una constante. Más exactamente P1 V1 /T1 = P2 V2 /T2 la cual se expresa
P1 V1 T2 = P2 V2 T1
Enlace de apoyo.
- http://www.educaplus.org/gases/ley_gaylussac.html
Ningún gas real es ideal, pero la mayor parte de los gases, a densidades bajas, cumple dicha ley y siempre que la temperatura no sea cercana al punto en el cual el gas se condensa.
o Example A spray can containing a propellant gas at twice atmospheric pressure (202 kPa) and having a volume of 125.00 cm3 is at 22°C. It is then tossed into an open fire. When the temperature of the gas in the can reaches 195°C, what is the pressure inside the can? Assume any change in the volume of the can is negligible. Suppose we include a volume change due to thermal expansion of the steel can as the temperature increases. Does this alter our answer for the final pressure significantly?
Ecuación de estado de los gases ideales Cuando se confina un gas ideal bajo las condiciones ya vistas debido a la presión las moléculas chocan con las paredes del recipiente entonces al aumentar el número de moléculas digamos al doble esta se debe duplicar por lo tanto la ecuación de los gases ideales debe depender también del número de moléculas llamado N y el cual es igual N = nNA donde NA es el número de Avogadro dado NA = 6,023x1023 moléculas/mol y n el número de moles de gas dado por n = m / M, donde M es la masa molar. De la ecuación de gases ideales P V/ T = c, si reorganizamos los términos, es decir, P V = cT Podemos decir que c = Nk donde N es el número de moléculas, k es la constante de Boltzmann, cuyo valor es k = 1,38x10—23J/K, luego c = nNAk, sustituyendo
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
P V = T nNAk Reordenando, PV = n NAk T, de forma más simplificada sea R = NAk, remplazando
PV = nRT Donde R = 8,314 J/mol K, es conocida como constante de los gases ideales. Si la presión se expresa en atmosferas y el volumen en litros (1L = 103cm3), podemos representar a R así: R = 0,082Latm/mol K. Gráficamente
Enlace de apoyo.
- http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Balloons_and_Buoyancy
o Problema Una cantidad de gas ocupa un volumen de 190 litros en las condiciones ambientales de presión y temperatura de Bogotá (150C y 0,74 atm). Determina:
a) El volumen que ocupa esa cantidad de gas a 1 atm y 350C de temperatura, es decir, una ciudad como Montería.
b) El número de moles y el número de moléculas del gas. Sugerencia ver ejemplos pagina 264 Física 1 Hipertexto Santillana.
o Ejemplo
Una determinada masa de gas ocupa 160La una presión de 1,93atm, cuando la temperatura ambiente es de 200C (293K). ¿Cuál es la presión del gas a una temperatura de 800C (353K) cuando ocupa un volumen de 200L?
Para cada valor de la temperatura, la representación de la presión en función del volumen es una hipérbola, es decir, son inversamente proporcionales.
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
o Ejemplo
Un gas ocupa un volumen de 45 litros a una temperatura de 00C y una presión de 1,2 atm. ¿Cuántos moles se tiene de este gas?
o Ejemplo Con base en los datos del ejemplo anterior, si la temperatura del gas se incrementa ahora a 700C y su volumen se disminuye hasta 35 litros, ¿Qué valor de presión tendrá el gas en estas condiciones? Preguntas Tipo pruebas saber 11
Responda las preguntas 1 y 2 de acuerdo con la siguiente información.
Se tiene un gas ideal en una caja herméticamente sellada, pero no aislada térmicamente, con una pared móvil indicada en la figura entre los puntos A y B. Manteniendo constante la temperatura, se coloca sobre la pared movible un bloque de masa M que comprime el gas muy lentamente. 1. La gráfica que ilustra apropiadamente el cambio de presión en función del volumen,
durante este proceso, es 2. De la primera ley de la termodinámica se puede concluir que durante la
compresión, la energía interna del gas permanece constante porque
a) todo el calor que absorbe el sistema se transforma en energía potencial inter-molecular.
b) el trabajo hecho sobre el sistema se convierte en energía potencial intermolecular.
c) todo el calor que absorbe el sistema se transforma en trabajo. d) el trabajo hecho sobre el sistema es cedido al exterior en forma de calor.
Actividades adicionales: aportadas en forma de talleres por el docente.
a) c) d) b)
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
COLEGIO DE LA SAGRADA FAMILIA
AREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL
TALLER 3 DE FISICA IV PERIODO
GASES Y LEY DE LOS GASES
1. En los laboratorios que investigan sobre virus peligrosos debe asegurarse que estén
a presión menor que la presión atmosférica. Este hecho se debe a que
a) Las corrientes de aire fluyen de un lugar de menor presión hacia uno de mayor
presión
b) Las corrientes de aire fluyen de un lugar de mayor presión hacia uno de menor
presión
c) Los virus sobreviven a bajas presiones
d) Los virus no se mueven a bajas presiones
2. En un recipiente hermético se tiene un gas ideal cuyas moléculas se mueven con
rapidez promedio v. si el volumen del recipiente se reduce a la cuarta parte
mientras la presión se mantiene constante.
Se puede concluir que la velocidad promedio de las moléculas del gas después de la
comprensión es
a) V b) v/2 c) v/4 d) 4v
3. Se tiene un gas ideal encerrado por un pistón como
muestra la figura El pistón comprime el gas del volumen
V1 a un volumen V2 a temperatura constante T0. De los
siguientes enunciados, referentes a este proceso.
I. la energía interna del gas permanece constante
II. el pistón hace trabajo sobre el gas
III. la presión del gas disminuye, pues la temperatura es constante
Son correctos
a) I y III b) I y II c) II y III d) sólo II
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
4. La gráfica mostrada, indica la variación de la energía interna de 1 mol de gas helio
en función de la temperatura cuando su volumen se mantiene constante. Calcula el
calor específico a volumen constante del helio en cal/g °C.
a) 0,54 cal/g °C
b) 0,55 cal/g °C
c) 0,65 cal/g °C
d) 0,75 cal/g °C
Responda las preguntas 5 y 6 de acuerdo con la siguiente información.
5. En dos recipientes de iguales volúmenes se tienen gases ideales. La masa de cada
molécula del gas del primer recipiente es m1 y la rapidez promedio de esas
moléculas es V1. Para el gas del recipiente 2 estas magnitudes
correspondientemente valen m2 y V2, cumpliéndose que m1 > m2 y V1 >V2. Los
recipientes contienen iguales cantidades de moléculas.
Acerca de las presiones y temperaturas de estos gases se puede afirmar que:
a) Las presiones son iguales pero T1 es mayor que T2
b) Las presiones son iguales pero T1 es menor que T2
c) P1 es mayor que P2 y T1 es mayor que T2
d) P1 es menor que P2 y T1 es menor que T2
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
6. Se pasa el gas del recipiente 1 al recipiente 2, manteniendo constante el volumen de
éste (V2). Para esta situación final es válido afirmar que
a) Su presión y temperatura son iguales a las del gas 2 antes de la mezcla
b) Su presión es igual a la del gas 2 antes de la mezcla, pero su temperatura es
mayor que la del gas 2
c) Su temperatura es igual a la del gas 2 antes de la mezcla, pero su presión es
mayor que la del gas 2
d) Su temperatura y su presión serán mayores que las del gas 2 antes de la mezcla
Responda las preguntas 7, 8 y 9 de acuerdo con la siguiente información
El recipiente ilustrado en la figura, contiene un gas ideal,
inicialmente a una temperatura Ti, y que se encuentra en un
medio a una temperatura Tm. De acuerdo con la ley de
enfriamiento de Newton la variación de temperatura (ΔT)
del gas (con su recipiente) durante un tiempo Δt es tal que
ΔT/ Δt = – k (T – Tm), donde T es la temperatura del gas en
este instante y Tm la del medio ambiente, k es una constante que depende del gas y
del recipiente. Para el gas mostrado en la figura se halló que su temperatura en
función del tiempo es la presentada en la siguiente gráfica
7. De acuerdo con esta gráfica las temperaturas iniciales y finales del gas son
respectivamente
a) 1000C y 300C b) 00C y 150C c) 300C y 1000C d) 150C y 00C
78
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
8. De los siguientes, el intervalo de tiempo durante el cual el gas intercambia menor
cantidad de calor con el medio, es
a) 0h < t < 2h, porque en este intervalo la variación de temperatura es mayor que
en los demás instantes
b) 4h < t < 6h, porque en este intervalo la temperatura decae más rápidamente que
en intervalos posteriores
c) 8h < t < 10h, porque en este intervalo la temperatura varía lentamente
d) 12h < t < 14h, porque en este intervalo la variación de temperatura es casi nula
9. La gráfica de presión P contra el tiempo t para el gas es
a) c)
b) d)
10. Se tiene (n) moles de una sustancia gaseosa cristalina que se somete a enfriamiento,
la gráfica de temperatura en función del tiempo nos muestra el comportamiento del
proceso.
t(h)
t(h)
P
t(h)
P
t(h)
P
P
15
15
15
15
t
T0
T1
T2
T0C
A
M
N
D
K
79
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
En los intervalos MN y DK, la sustancia presenta un cambio de estado y la
temperatura permanece constante. Esto es debido a que la energía:
a) La temperatura a la sustancia y ésta gana calor
b) Se convierte trabajo sobre el medio
c) Liberada es utilizada por la sustancia para organizar las moléculas
d) Se convierte en calor y la sustancia se desordena
11. Un gas ideal se expande de forma que pV = K, donde K es una constante, el trabajo
efectuado cuando el volumen se expande de V1 a V2 es
a) W = KLn(V2/V1)
b) W = K(V2 – V1)
c) W = K(V1 – V2)
d) W = (1/K)(V2 – V1)
12. Un gas ideal se encuentra en un recipiente cilíndrico
de área transversal A. Una tapa de peso F genera una
presión P sobre el gas cuyo volumen es V1 y está a
temperatura T1. Entre la tapa y el recipiente, la
fricción es despreciable y las paredes del cilindro, son
de material aislante térmico.
Si el gas se calienta a presión constante, P hasta una temperatura T2, la tapa asciende una distancia d igual a
a)
b)
c)
d)
80
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
13. Un gas ideal se encuentra en un recipiente cilíndrico
de área transversal A. Una tapa de peso F genera una
presión P sobre el gas cuyo volumen es V1 y está a
temperatura T1. Entre la tapa y el recipiente, la
fricción es despreciable y las paredes del cilindro,
son de material aislante térmico.
En la situación anterior el volumen final del gas es V2. El trabajo realizado por la fuerza que ejerce el gas sobre la tapa es (Cp = Capacidad calorífica del gas a presión constante)
a) Cp(T2 – T1) b) PV2 + CpT2 c) PV2 d) P(V2 – V1)
14. Un gas ideal se encuentra en un recipiente cilíndrico de
área transversal A. Una tapa de peso F genera una
presión P sobre el gas cuyo volumen es V1 y está a
temperatura T1. Entre la tapa y el recipiente, la fricción
es despreciable y las paredes del cilindro, son de
material aislante térmico.
Si se comprime el gas a temperatura constante T (proceso isotérmico) desde las condiciones iniciales hasta una presión P2 y volumen V3 el área que corresponde al trabajo realizado para comprimirlo es
a) b)
c) d)
81
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
15. Un gas ideal se encuentra en un recipiente cilíndrico de
área transversal A. Una tapa de peso F genera una
presión P sobre el gas cuyo volumen es V1 y está a
temperatura T1. Entre la tapa y el recipiente, la fricción
es despreciable y las paredes del cilindro, son de
material aislante térmico.
Se eleva la temperatura del gas hasta T2 en dos procesos distintos. El primero a presión constante requiere una cantidad de calor Q1 y el segundo a volumen constante requiere una cantidad de calor Q2.
Es correcto afirmar que
a) Q1 = PΔV; Q2 = α ΔT; Q1 > Q2
b) Q1 = –PΔV – α ΔT; Q2 = βΔT; Q2 > Q1
c) Q1 = –PΔV + α ΔT; Q2 = βΔT; Q1 > Q2
d) Q1 = α ΔT = Q2
16. A sample of an ideal gas is compressed by a piston from 10m3 to 5m3 and
simultaneously cooled from 2730C to 00C. As a result there is:
a) An increase in pressure
b) A decrease in pressure
c) No change in density
d) An increase in density
17. Dos bloques de iguales masas (M), pero de
metales diferentes, se introducen en cámaras herméticas de igual volumen. Las masas moleculares de los materiales son tales que m1 < m2. Las cámaras se calientan hasta que los metales se evaporan totalmente. Si se tienen los metales evaporados a la misma temperatura y se consideran ambos como gases ideales, es correcto afirmar que la presión en la cámara1 es
a) Igual que en la cámara 2, porque las masas de los gases son iguales
b) Igual que en la cámara 2, porque los volúmenes son iguales
c) Mayor que en 2, porque el número de partículas en 1 es mayor
d) Menor que en 2, porque el número de partículas en 1 es menor
82
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
18. Una olla a presión es básicamente una cámara
hermética cuya tapa tiene un sistema de seguridad que soporta altas presiones. Considere el interior de la olla de volumen V. En la olla ilustrada en la figura se coloca un poco de agua líquida, se asegura y se pone sobre un fogón. Si la temperatura del vapor de agua en el instante en que se evapora totalmente es T1, el aumento de presión entre ese instante, y uno en el cual la temperatura es 3/2T1 vale: a) 3NkT1/2V b) NkT1/2V c) NkT1/V d) NkT1/3V
19. Un balón de laboratorio con agua en su
interior es calentado por un mechero como se muestra en la figura 1. Cuando el agua alcanza el punto de ebullición empieza a transformarse en vapor y a llenar todo el balón como se aprecia en la figura 2. Luego el balón se tapa, el mechero se retira, y se coloca bajo una ducha de agua fría como se ilustra en el figura 3. Entonces finalmente la presión en el punto A dentro del balón
a) Es mayor que la presión atmosférica b) Es menor que la presión atmosférica c) Es igual a la presión atmosférica d) No depende de la temperatura del vapor
20. Se toma una jeringa de área transversal A y se mueve su émbolo
hacia arriba una distancia d. La temperatura del lugar es T y P la presión atmosférica. Luego se sella la punta de la jeringa. Considere el aire en el interior de la jeringa como un gas ideal y deprecie cualquier fricción. Si a partir de la posición indicada en la figura, el émbolo se desplaza hacia arriba una distancia X y se suelta, sucederá que émbolo a) Se quedará en la nueva posición, porque la nueva presión del gas es mayor que
P b) Se quedará en la nueva posición, porque la presión del gas sigue siendo P c) Retornará a la posición inicial, porque la presión del gas sigue siendo P d) Retornará a la posición inicial, porque la nueva presión del gas es menor que P
N = número de moléculas de agua dentro de la olla k = constante de Boltzmann
83
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
21. Se tiene un cilindro con gas a temperatura
constante T0, con un pistón móvil como muestra la figura. El volumen y la presión iniciales del gas son 5V0 y P0
respectivamente. Un agente externo mueve el pistón de tal forma que el volumen del gas en función del tiempo es el indicado en la siguiente gráfica
En consecuencia aproximadamente la gráfica que corresponde a la presión del gas en función del tiempo es
22. En la ciudad A, a un recipiente que
contiene gas ideal se conecta un tubo en forma de U parcialmente lleno con aceite. Se observa que el aceite sube hasta el nivel L1 como se muestra en la figura. El recipiente se transporta a la ciudad B. Allí el aceite sube hasta el nivel L2 que se muestra en la figura. De lo anterior se concluye que
a)
L1
L2
a) b)
c) d)
84
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
a) La temperatura promedio de la ciudad B es mayor que la de A
b) La temperatura promedio de la ciudad B es menor que la de A
c) Hubo una fuga de gas
d) La ciudad B está a menor altura sobre el mar que la ciudad A
23. A given mass of gas is enclosed in a suitable container so that it may be maintained
at constant volume. Under these conditions, there can be no change in what property of the gas?
a) Pressure
b) Density
c) Internal energy
d) Temperature
24. As the pressure in an ideal gas is increased isothermally the average molecular
speed: a) Increases
b) Increases at high temperature, decreases at low
c) Decreases at high temperature, increases at low
d) Stays the same
25. La gráfica muestra el comportamiento de la
temperatura de un gas ideal en función de su volumen. La gráfica que representa la presión del gas en función del volumen para el proceso AB es
a) b) c) d)
85
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
COLEGIO DE LA SAGRADA FAMILIA
AREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL HOJA DE RESPUESTAS – GASES Y LEY DE LOS GASES
NOMBRE: GRADO 10°:
Rellene el cuadro cuya letra es la respuesta correcta. Hazlo con lapicero. Rellenar más de una opción anula la respuesta. No se permiten tachones ni enmendaduras.
N° OPCIONES
1 A B C D E
2 A B C D E
3 A B C D E
4 A B C D E
5 A B C D E
6 A B C D E
7 A B C D E
8 A B C D E
9 A B C D E
10 A B C D E
11 A B C D E
12 A B C D E
13 A B C D E
14 A B C D E
15 A B C D E
16 A B C D E
17 A B C D E
18 A B C D E
19 A B C D E
20 A B C D E
21 A B C D E
22 A B C D E
23 A B C D E
24 A B C D E
25 A B C D E
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NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
LAS LEYES DE LA TERMODINAMICA
El estudio que nos centrará ahora es la relación entre la energía interna, el trabajo que realiza un sistema o que se realiza sobre él y el calor que se le suministra o cede.
PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA Y PROCESOS TERMODINAMICOS
Primera ley de la termodinámica (Conservación de la energía) La energía interna que poseen las moléculas se le denomina energía térmica, además la energía interna es la suma de la energía cinética y potencial de las moléculas. Si un cuerpo transfiere calor a otro, disminuye su energía interna y en consecuencia la del otro aumenta. Es decir que podemos aumentar la energía interna de un cuerpo si hacemos trabajo sobre el o si le suministramos calor. Al objeto lo llamaremos sistema y su entorno el medio que lo rodea. Lo anterior se puede expresar en los siguientes términos:
La energía interna E de un sistema aumenta cuando se le suministra calor (calor positivo) o cuando se realiza trabajo sobre el sistema (trabajo negativo).
La energía interna de un sistema disminuye cuando el sistema cede calor (calor negativo) o cuando el sistema realiza trabajo sobre otro sistema (trabajo positivo).
Al suministrar calor a un gas confinado las moléculas se moverán mucho más
rápido, lo cual aumenta su temperatura. En consecuencia, la primera ley de la termodinámica podemos enunciarla así:
Definición: El calor neto QN añadido sobre un sistema menos el trabajo W ejercido sobre este es igual a la variación de la energía interna E del sistema.
Matemáticamente se expresa
E = QN –W La anterior expresión es equivalente al principio de conservación de la energía. En un sistema aislado el cambio de energía interna es cero, ya que el sistema no intercambia calor ni trabajo. Independientemente de los procesos que ocurran dentro de un sistema aislado, su energía permanece constante. Por convención cuando se realiza trabajo sobre el sistema se considera negativo, –W, cuando el trabajo W lo ejerce el sistema es positivo. Cuando el sistema absorbe calor Q es positivo y si lo cede es negativo –Q.
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Gráficamente Enlaces de apoyo.
- http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Reactions_and_Rates
- http://www.educaplus.org/gases/lab_graham.html
Trabajo realizado por un gas Consideremos una determinada masa de gas confinada dentro de un cilindro provisto de un pistón de área A, sometido a la presión atmosférica, de modo que el volumen del gas pueda variar. De acuerdo a la figura. No se considera la fricción. Si se aumenta la temperatura del gas, éste se expande a presión constante ya que siempre estará sometido a la presión atmosférica, cuando el gas se expande ejerce una fuerza F sobre el pistón provocándole un desplazamiento x, se dice entonces que el gas ha realizado un trabajo sobre el pistón. Dicha fuerza es constante ya que el área y la presión lo son. Este trabajo está dado por: W = F x, sabemos que P = F / A, Tenemos entonces W = PAx donde P es la presión del gas y A el área del pistón. La variación del volumen es V = Ax, Luego el trabajo realizado por el gas viene dado por
W = PV
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o Ejemplo
A un gas contenido dentro de un recipiente provisto de un pistón se le suministra 50 J de calor y este a su vez, como muestra la figura, un objeto de peso 1000N sobre una superficie. El entre el bloque y la superficie es 0,2 y el bloque se desplaza con velocidad constante una distancia de 0,50m. Determinar la variación de la energía interna del gas, suponiendo que la fricción entre el émbolo y el cilindro es despreciable. Sugerencia ver ejemplos pagina 265 Física 1 Hipertexto Santillana.
o Problem An ideal gas initially at Pi, Vi, and Ti is taken through a cycle as in Figure. (a) Find the net work done on the gas per cycle. (b) What is the net energy added by heat to the system per cycle? (c) Obtain a numerical value for the net work done per cycle for 1,00 mol of gas initially at 0°C.
o Problema Un gas contenido en un cilindro provisto de un pistón, comprime a presión constante cuyo valor es 80000 Pa disminuyendo su volumen en 0,02cm3. Si la energía interna del gas aumenta en 400J, determina el W realizado por el pistón sobre el gas y calor cedido o absorbido por el gas. Sugerencia ver ejemplo pagina 266 Física 1 Hipertexto Santillana.
Sugerencia analizar el ejemplo pagina 267 Física 1 Hipertexto Santillana.
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o Ejemplo
Considera 70 litros de un gas a 300K contenidos en un cilindro al que se suministra a una cantidad de calor de 2000J y se mantiene a presión constante de 1 atm. Si se produce un aumento de volumen de 15 litros, calcula: W realizado por el gas sobre el pistón, el E del gas. Actividad adicional A 1,0 kg bar of copper is heated at atmospheric pressure. If its temperature increases from 20°C to 50°C, a) what is the work done on the copper bar by the surrounding atmosphere? b) What quantity of energy is transferred to the copper bar by heat?
c) What is the increase in internal energy of the copper bar?
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PROCESOS TERMODINAMICOS
Son los cambios que experimenta un gas en un estado inicial de presión, volumen y/o temperatura, al pasar a otro estado posterior. Son los siguientes:
Proceso adiabático En este proceso el sistema está totalmente aislado de su entorno, es decir: no hay transferencia de calor entre el sistema y su entorno, Q = 0, de acuerdo a la primera ley de la termodinámica E = Q –W, como Q es nulo, entonces
E = –W Significa que toda la energía interna del sistema es igual al trabajo realizado sobre éste. Enlace de apoyo.
- http://www.educaplus.org/play-138-Transformaciones-termodinámicas.html
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Proceso isotérmico
Este proceso ocurre a temperatura constante. Por lo tanto el volumen y la presión pueden ser variados, esto implica que en el sistema la energía interna no varia ya que la temperatura de las moléculas permanece constante, es decir E = 0, De acuerdo a la primera ley de la termodinámica E = Q – W, se tiene 0 = Q – W, por lo tanto Q = W significa que todo el calor suministrado se convierte en trabajo es una aplicación de la ley de Boyle – Mariotte, (P1 V1 = P2 V2).
Sugerencia analizar ejemplo pagina 268 Física 1 Hipertexto Santillana.
Proceso isocoro
También llamado isométrico o isovolumétrico, este proceso ocurre a volumen constante. Por lo tanto la temperatura y la presión pueden ser variadas, es decir PV = 0, luego el W es nulo. De acuerdo a la primera ley de la termodinámica E = Q – W, entonces E = Q, es decir, todo el calor absorbido se convierte en energía interna, es una aplicación de la Ley de Gay—Lussac.
o Ejemplo Considere dos sistemas formados por 1m3 de nitrógeno contenidos en cilindros provistos de pistones. El gas tiene inicialmente cierta temperatura y presión y luego se expande hasta ocupar el volumen de 2m3. En uno de los cilindros la expansión se produce en contra de una presión externa de 1 atm, mientras que en el otro se expande en el vacío. ¿Cuál es el calor intercambiado en cada caso, si el proceso es isotérmico? Describe los procesos si estos son adiabáticos.
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o Ejemplo
Un mol de gas ideal se somete al proceso exhibido en el diagrama de presión en función del volumen de acuerdo a la figura. Entre A y B el proceso es con volumen constante aumentando la presión (isocoro); entre B y C el gas se mantiene de manera isoterma con temperatura constante, disminuyendo su presión y aumentando su volumen; finalmente entre C y A se comprime de manera isobárica, disminuyendo su volumen. Hallar:
a) El trabajo entre A y B; entre C y A.
b) La temperatura en A, B y C.
o Ejemplo 3 moles de gas ideal se someten al proceso ilustrado en la figura.
P(atm)
3 1
V(L)
V(L)
2 6
B
C A
T = constante
4 2
P(atm)
2 1
3 4
200K
400K 500K
Determinemos el tipo de proceso entre los puntos 1 a 2; 2 a 3; 3 a 4 y 4 a 1. Hallemos el volumen del gas en los puntos 1 y 3; la presión en el punto 2. El trabajo en cada uno de los estados mostrados.
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Proceso isobárico
Este proceso ocurre a presión constante. Por lo tanto el volumen puede ser variado, esto implica que el sistema puede realizar trabajo o se puede realizar trabajo sobre el sistema. De acuerdo a la primera ley de la termodinámica
E = Q – PV Es una aplicación de la ley de Charles, (V1 / T1 = V2 / T2) tanto el trabajo y el calor contribuyen a la variación de energía interna.
o Ejemplo
En la figura, se muestra un diagrama P –V en el que se presentan dos procesos, A y B, a los que se somete un gas para pasar del estado 1 al estado 2. Determinar: a) Las variables de estado en
los estados 1 y 3, 2 y 3. b) El proceso en el que se
realiza mayor trabajo sobre el gas.
c) El proceso en el que es mayor el incremento de energía interna.
d) El proceso en el que el sistema absorbe más calor. Sugerencia analizar el ejemplo pagina 269 Física 1 Hipertexto Santillana.
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LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Y LA ENTROPIA
La segunda ley de la termodinámica
Si colocamos dos objetos en contacto que estén en diferentes temperaturas, el cuerpo de mayor temperatura transfiere calor al cuerpo con menor temperatura. La primera ley afirma que si un cuerpo cede calor el otro debe absorberlo, pero no dice en qué dirección fluye el calor. Como habrás notado un líquido caliente se enfría hasta quedar a temperatura ambiente, es decir el calor fluye del líquido al entorno. Sin embargo el proceso contrario no es posible. Este resultado se expresa en la siguiente ley:
“El calor no fluye de los cuerpos más fríos a los cuerpos más calientes” Es esta ley quien define la dirección del flujo de calor.
Maquinas térmicas Todo dispositivo que transforma la energía calorífica en energía mecánica u otro tipo de energía aprovechable o en un trabajo que pueda ser utilizado, recibe el nombre de maquina térmica.
Cabe anotar que no toda la energía calorífica se convierte en trabajo, ya que es necesario descartar una fracción de esta para mantener la maquina funcionando.
Inicialmente el gas absorbe una cantidad de calor Q1, luego gas cede una cantidad de calor Q2. De esta manera la cantidad neta de calor transferido al gas es Q1 - Q2. El trabajo neto durante el proceso, es igual al calor neto transferido, pues el estado inicial y final del ciclo coinciden y, en consecuencia, la variación de energía interna del gas es cero, por tanto:
W = Q1 - Q2 Este resultado indica que el trabajo útil realizado por el gas durante el ciclo es igual a la diferencia entre el calor suministrado al gas y el calor que este cede. Por lo tanto, no es posible que un sistema realice un trabajo igual al calor suministrado.
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Eficiencia de la maquina térmica ( )
La eficiencia de una maquina térmica se define como el cociente entre el trabajo realizado W y el calor Q1 entregado por la fuente a mayor temperatura, viene dada por = W / Q1 sustituyendo W, = W / Q1 = Q1 - Q2 / Q1 reduciendo términos semejantes,
= 1 - Q2 / Q1 (El resultado se da en porcentajes)
o Ejemplos
Una maquina térmica tiene una eficiencia = 0,15 y produce trabajo útil igual a 1550 J. ¿Qué cantidad de calor entrega la fuente que está a mayor temperatura? Encuentre la eficiencia de una máquina térmica que absorbe 2000 J de energía de un deposito caliente y entrega 1500 J a un deposito frio.
Ciclos termodinámicos: Son procesos naturales o artificiales y muestran el comportamiento de la naturaleza.
Ciclos reversibles
El sistema sometido al proceso puede ser regresado a sus condiciones iníciales a lo largo de la misma trayectoria mostrada en un diagrama P – V donde cada punto a lo largo de esta trayectoria está en equilibrio.
Ciclos irreversibles El sistema sometido al proceso no puede ser regresado a sus condiciones iníciales a lo largo de la misma trayectoria mostrada en un diagrama P – V donde cada punto a lo largo de esta trayectoria no está en equilibrio.
Ciclos térmicos Es aquel que cumple con el siguiente esquema de desarrollo donde: WNETO = W (A – 1 – B) W (B – 2 - A). Q 0 (trabajo positivo) sentido horario. Al sistema se le está entregando calor
Ciclos atérmicos
Es aquel que cumple con el siguiente esquema de desarrollo donde: WNETO = W (A – 2 – B) W (B – 1 - A). Q 0 (trabajo negativo) Sentido antihorario. El sistema entrega calor.
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LA MAQUINA DE CARNOT
En 1824 un ingeniero francés llamado Sadi Carnot describió una máquina teórica, conocida como Máquina de Carnot. Dicha maquina convierte toda la energía calorífica en trabajo, es decir, su máquina térmica funciona en un ciclo reversible ideal. Llamado ciclo de Carnot.
Ciclo de Carnot Entre dos depósitos de energía la máquina de Carnot es la más eficiente. Definición: Ninguna máquina real que funcione entre dos depósitos de energía pude ser más eficiente que una máquina de Carnot operando entre los mismos dos depósitos. Sadi Carnot esbozo un ciclo ideal con el fin de analizar cómo aumentar la eficiencia de una maquina real. Inicialmente el gas se
expande de manera isoterma desde A hasta B, con temperatura T1 , y absorbe calor Q1
Luego se expande adiabáticamente desde B hasta C, variando su temperatura T1 y T2
En seguida se comprime de manera isoterma desde C hasta D, con temperatura T2 , cediendo calor Q2
Por último, se comprime adiabáticamente desde D hasta A disminuyendo su temperatura desde T2 a T1
El trabajo neto lo podemos determinar si evaluamos el área encerrada. Dado por
Wneto = Q1 – Q2
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Eficiencia del ciclo de Carnot
Se expresa en función de las temperaturas inicial y final o más alta y baja, viene dada por = (T1 – T2) / T1
= 1 – T2 / T1
o Ejemplo Un ciclo de Carnot funciona entre 6000C y 3500C. Determina su eficiencia.
o Example A steam engine has a boiler that operates at 500 K. The energy from the burning fuel changes water to steam and this steam then drives a piston. The cold reservoir’s temperature is that of the outside air, approximately 300 K. What is the maximum thermal efficiency of this steam engine?
LA ENTROPÍA
Definición: cada vez que la energía pasa de una forma otra, se produce una disminución de la cantidad de energía disponible para realizar trabajo.
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COLEGIO DE LA SAGRADA FAMILIA
AREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL
TALLER 4 DE FISICA IV PERIODO ACADEMICO
LEYES DE LA TERMODINÁMICA
Responde las preguntas 1 y 2 de acuerdo a la siguiente información
Un recipiente hermético contiene un gas ideal en su interior. El gas se encuentra
inicialmente a presión P1, volumen V1 y temperatura T1. La tapa del recipiente puede
moverse o puede mantenerse fija.
Sobre el gas se realizan dos ciclos. Para el primer ciclo se muestran los diagramas PT y
PV. Para el segundo ciclo muestra solamente el diagrama PT. Los distintos procesos
involucrados en cada ciclo están rotulados con números romanos.
PV = NRT
Gas
Tapa
P2
P1
T1 T2
T
III
P
II I
P
V
V1 V2
P2
P1
III
II
I
Ciclo 1
Ciclo 2 P
P2
P1
T
VII
IV
V
VI
T1 T2
P1 = 100Pa
P2 = 100Pa
T1 = 300K
T2 = 400K
V1 = 0,5m3
V2 = 0,75m3
?
99
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
1. El diagrama PV de ciclo 2 es
a) c)
b) d)
2. Durante el proceso III del ciclo 1, la densidad del gas aumenta. Esto lo explica hecho
de que
a) El volumen disminuye.
b) El número de partículas disminuye.
c) La presión se mantiene constante.
d) La temperatura disminuye.
3. Pressure versus volume graphs for a certain gas undergoing five different cyclic
processes are shown below. During which cycle does the gas do the greatest positive
work?
P
V
V1 V2
P2
P1
V
IV VI
VII
P
P2
P1
V1 V2
VI
V
VII
IV
V
P
V
V1 V2
P2
P1
VII
VI IV
V
P
P2
P1
V1 V2
IV
VII
V
IV
V
c) d) b) a)
b)
100
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
Responde las preguntas 4, 5 y 6 de acuerdo a la siguiente información
El trabajo realizado por un gas, cuando pasa del estado A al estado B, en una gráfica P – V, equivale al área bajo la curva como se indica en la figura. La primera ley de la termodinámica establece que la variación de la energía interna de un sistema es igual al calor que recibe o cede el sistema menos el trabajo realizado sobre o por el sistema ΔU = Q – W.
La energía interna de un gas perfecto depende sólo de la temperatura.
4. Cuando el sistema vuelve a su estado inicial A, tenemos que la variación de energía
interna fue
a) Mayor que cero
b) Igual a cero
c) Igual al calor recibido
d) Menor que cero
5. Si el gas ideal es sometido a un proceso a temperatura constante tenemos que Q =
W porque
a) El sistema ha efectuado un ciclo
b) La energía interna no varía
c) El sistema está aislado térmicamente
d) No hay flujo de calor hacia el sistema
6. Si el gas ideal pasa de un estado 1 a un estado 2, estando aislado térmicamente,
tenemos que
a) ΔU = – W
b) ΔU = Q
c) W = -Q
d) W = Q
101
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
7. La gráfica representa un ciclo termodinámico ABCD para un gas
determinado
Los puntos A, B, C, D las variables para cuatro estados distintos del gas y las líneas
discontinuas representan las isotermas para esos estados. De la gráfica es
incorrecto afirmar
a) TC > TB >TA
b) TB =TD
c) TC < TB <TA
d) PA > PD
8. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa?
a) La energía interna y el calor en un proceso termodinámico son variables de
estado.
b) En un proceso isocoro el calor cedido es igual al cambio en la energía interna.
c) En un proceso adiabático no se cede calor al sistema.
d) Un proceso que se lleva a cabo de forma casi instantánea puede considerarse
adiabático.
Responde las preguntas 9, 10 y 11 de acuerdo a la siguiente información
Una caja de longitud L consta de dos compartimentos separados por una pared
delgada móvil. La caja está sumergida en un
baño de agua que mantiene en todo momento la
misma temperatura T en ambos
compartimentos. En el compartimento 1 hay 2n
moles de un gas ideal y en el compartimento 2
hay n moles del mismo gas. Cuando se sueltan
los tornillos A y B que sostienen la pared
delgada AB en el centro. Esta se desliza sin
fricción a lo largo de la caja.
P B
A
V
C
D
102
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
9. La grafica que mejor representa la compresión del gas en el compartimento 2 es
10. Después de soltar los tornillos, la condición para que la pared delgada esté en
equilibrio dentro de la caja es que
a) La temperatura de los comportamientos sea la misma, porque en ese caso la
energía interna por mol de gas es la misma en ambos
b) El volumen de gas en ambos compartimientos sea igual, porque las condiciones
de temperatura y presión no cambian
c) La presión del gas en ambos lados de la pared delgada sea la misma, porque en
ese caso la fuerza sobre la pared delgada será nula
d) La cantidad de gas sea la misma en ambos compartimientos, porque en ese caso
la masa del gas es la misma en cada lado
11. Al soltar los tornillos, la pared delgada se desplazará dentro de la caja. Cuando la
pared se encuentra en la posición de equilibrio estará a una distancia del punto O
igual a
a) 1/2 L b) 2/3 L c) 1/3 L d) 5/6 L
Responde las preguntas 12 y 13 de acuerdo a la siguiente información
Las gráficas nos muestran la expansión de un gas dentro de un recipiente, por efectos
de la energía calórica, pero en proceso de temperatura constante.
103
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
12. La observación gráfica, nos puede asegurar que
a) En el caso 1 la presión permanece constante de Pi a Pf y el gas se expande
luego a volumen constante
b) En el caso 2 el gas se expande primero de Vi a Vf a presión constante Pi y
después se reduce a Pf a volumen constante
c) En el caso 3 el gas se expande de Vi a Vf, manteniendo constante la presión en
los puntos Pi y Pf
d) En los tres procesos el volumen se expande de Vi a Vf y la presión varia de Pi a
Pf
13. Respecto al trabajo, realizado por el gas, podemos decir que
a) Este no depende de la trayectoria
b) En algunos casos depende de la trayectoria
c) En todos los casos depende de la trayectoria
d) En ningún caso existe trabajo
14. El ciclo de Carnot está formado por las siguientes transformaciones (en el orden
indicado):
a) Expansión isotérmica / expansión adiabática / compresión isotérmica /
compresión adiabática.
b) Expansión adiabática / expansión isotérmica / compresión adiabática /
compresión isotérmica.
c) Expansión isotérmica / compresión adiabática / expansión adiabática /
compresión isotérmica.
d) Expansión adiabática / compresión isotérmica / expansión isotérmica /
compresión adiabática.
15. La caja de la figura tiene paredes
externas adiabáticas y paredes
internas que forman 4 divisiones
con gases ideales que inicialmente
no se hallan en equilibrio térmico. 1
es una pared adiabática con
libertad de movimiento horizontal,
2 es una pared fija adiabática y 3 es
una pared diatérmica fija.
104
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
En el momento en que se alcanza el equilibrio se cumplirá que
a) PA = PB = PC = PD y TA = TB
b) PB = PC y TC = TD ≠ TB
c) TA = TB = TC = TD y PB = PC
d) PA = PB, PC =PD y TA = TD
16. En el esquema mostrado en la figura, se describe
a) Una bomba de calor
b) Un frigorífico
c) Una máquina térmica
d) No es posible tal máquina
17. En el esquema mostrado en la figura, se describe
a) Una bomba de calor
b) Un frigorífico
c) Una máquina térmica
d) No es posible tal máquina
Qc
Qf
W
Tc
Tf
Qc
Qf
W
Tc
Tf
Tc > Tf
Tc > Tf
105
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
18. Un motor de Carnot cuyo depósito frío está a la temperatura de 70C tiene un
rendimiento del 40%. Se desea aumentar el rendimiento hasta el 50%. ¿En cuántos
grados ha de aumentarse la temperatura del foco caliente?
a) 560 0K b) 93 0K c) 467 0K d) 55 0K
19. Un gas se lleva a través del proceso cíclico descrito en la figura siguiente.
La energía térmica neta transferida al sistema durante un ciclo completo es
a) -12 kJ b) 20 kJ c) 12 kJ d) -8 kJ
20. Desde el estado inicial (P0, V0) un gas ideal realiza un proceso cíclico (ABCDA)
como lo muestra el diagrama PV de la figura.
En este ciclo se cumple que
a) El trabajo realizado por el gas es W = 12P0V0
b) El calor absorbido por el gas es Q = 6P0V0
c) El cambio de energía interna del gases ΔU = 0
d) El trabajo realizado por el gas es W = 0
B
A
V
C
D
P
3P0
P0
v0 4v0
106
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
21. Para los sistemas que presentan un pequeño cambio de estado se considera:
ΔQ = ΔU + ΔW donde: +ΔQ = energía térmica transferida del sistema +ΔU = aumento en la energía interna del sistema +ΔW = el trabajo realizado por el sistema En una compresión adiabática de un gas ideal, cuál de las siguientes afirmaciones es correcta con respecto al ΔQ, ΔU y ΔW?
ΔQ ΔU ΔW
a) Cero Positiva Negativo
b) Cero Negativa Negativo
c) Positivo Positiva Positivo
d) Negativo Cero Positivo
Conteste las preguntas 22, 23 y 24 de acuerdo con la siguiente información
22. Cuando un sistema pasa del estado a y b a lo largo de la transformación acb recibe
una cantidad de calor de 2000 cal y realiza un trabajo de 7500 cal. Basados en lo
anterior
El trabajo realizado entre a y c es igual a
a) 100 cal
b) 2500 cal
c) –17500 cal
d) 0 cal
b
a
V
c
d
P
107
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
23. Si el trabajo desarrollado a lo largo de la transformación adb es igual a 2500 cal, el
Wad será igual a:
a) 2500 cal
b) –5000 cal
c) 0 cal
d) –15000 cal
24. Cuando el sistema vuelve de b hacia a, a lo largo lo largo transformación en forma
de curva, el trabajo es de 5000 cal. El calor absorbido o liberado por el sistema
será:
a) – 12500 cal
b) –5000 cal
c) – 17500 cal
d) 2500 cal
25. La primera ley de la termodinámica relaciona las cantidades físicas de energía
interna (ΔE), calor (Q) y trabajo (W = PΔV) mediante la ecuación Q = ΔE + PΔV,
donde P y V son presión y volumen, respectivamente. A un recipiente cerrado que
contiene un gas ideal se le suministra calor por medio de un mechero; si todo el
calor se convierte en energía térmica del gas, se sabe que éste
a) no realiza trabajo porque es un proceso isotérmico.
b) no realiza trabajo porque es un proceso isovolumétrico.
c) realiza trabajo porque es un proceso adiabático.
d) realiza trabajo porque es un proceso isobárico.
26. La eficiencia para una máquina térmica se define como η = W/QA, donde W es el
trabajo realizado por la máquina, y QA es el calor suministrado a la máquina. Una
máquina realiza un trabajo W = QA - QC, donde QC es el calor cedido por la máquina
al medio. La eficiencia para este proceso es menor que 1 porque
a) el calor cedido es mayor que cero.
b) el calor cedido es mayor que el calor suministrado.
c) el trabajo realizado por la máquina es igual al calor suministrado.
d) el trabajo sobre la
108
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COLEGIO DE LA SAGRADA FAMILIA
AREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL HOJA DE RESPUESTAS – LEYES DE LA TERMODINÁMICA
NOMBRE: GRADO 10°:
Rellene el cuadro cuya letra es la respuesta correcta. Hazlo con lapicero. Rellenar más de una opción anula la respuesta. No se permiten tachones ni enmendaduras.
N° OPCIONES
1 A B C D E
2 A B C D E
3 A B C D E
4 A B C D E
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21 A B C D E
22 A B C D E
23 A B C D E
24 A B C D E
25 A B C D E
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COLEGIO DE LA SAGRADA FAMILIA
AREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL
TALLER 5 DE FISICA IV PERIODO ACADEMICO
LEYES DE LA TERMODINÁMICA
Conteste las preguntas 1 y 2 de acuerdo con la siguiente información
1. Un ciclo reversible es el conjunto de
procesos que hacen regresar un sistema a
sus condiciones originales. De manera
que podemos decir que un ciclo térmico
es aquel que cumple con el siguiente
esquema de desarrollo.
a) WNETO = W (A – 1 – B) W (B – 2 - A)
b) WNETO = W (A – 1 – B) < W (B – 2 - A)
c) WNETO = W (A – 1 – B) = W (B – 2 - A)
d) WNETO = W (B – 1 – A) W (B – 2 - A)
2. El calor en el proceso es
a) Q 0, pues lo está cediendo al sistema
b) Q < 0, pues se le está entregando al sistema
c) Q = 0, pues no existe transferencia de calor
d) ΔU 0 , pues es un proceso isotérmico
Conteste las preguntas 3, 4, 5, 6 y 7 de acuerdo con la siguiente información
Se trabaja en el laboratorio con una mol de gas monoatómico a 1°C de temperatura y se consigue que se expanda térmicamente de tal forma que el volumen Vf sea el triple de Vi
3. De acuerdo a lo anterior podemos asegurar que, el trabajo realizado y el calor
intercambiando en dicha transformación será:
a) W > Q b) W < Q c) W = Q d) Q =0
4. La razón entre las presiones en los estados final e inicial será:
a) Pf = 1/3Pi b) Pf = 3Pi c) Pf = 1/2Pi d) Pf = Pi
110
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
5. Si se considera que la transformación es isocora (volumen contante), tal que
partiendo del estado en que se encontraba anteriormente, se llegue a otro de tal
forma que la presión sea igual a la que tenía inicialmente, podemos decir con
respecto a la energía interna que:
a) ΔU = 0
b) ΔU 0
6. Con respecto al trabajo, éste será:
a) W = 0
b) W = Q
7. La gráfica que nos muestra el proceso total termodinámico:
8. Se somete un gas ideal al proceso cíclico 1-2-3-1 esquematizado en la figura V–T
donde V es volumen y T es temperatura.
T
V
1
2
3
c) W < 0
d) W > Q
c) ΔU < 0
d) ΔU = Q
111
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
El mismo proceso esquematizado en la gráfica P–V es:
a) b)
d)
Responda las preguntas 9, 10 y 11 de acuerdo con la siguiente información
Se tiene un cilindro en el cual podemos modificar arbitrariamente la presión y volumen. Si mantenemos la temperatura, obtenemos valores, para cada valor de la presión. En una medición sometemos el cilindro a presión muy elevada y en otro no. Tendremos entonces la siguiente gráfica: 9. En el punto a tendremos:
a) Un gas inestable
b) Una presión grande y un volumen pequeño, que corresponde a la ley de
Gay-Lussac
c) Una presión pequeña y un volumen grande, que corresponde a la ley de Boyle
d) Presión de vapor solamente, que pertenece a la ley de Charles.
V
V
P
V P
V
P
P
1
3
2
2
2
3
1
2
3
3
1
1
c)
112
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
10. En el punto d a e tendremos:
a) El volumen disminuye por reducción del calor
b) El volumen permanece constante y la presión aumenta
c) Existe gran variación en la presión y pequeñas reducciones de volumen
d) La presión disminuye y aumenta la temperatura
11. La presión que corresponde al sector cd, se denomina
a) Presión de ebullición
b) Presión de vapor
c) Presión de vaporización
d) Presión de fusión
Responde las preguntas 12, 13 y 14 de
acuerdo a la siguiente información
En el interior de cada pistón del motor
de un carro, la gasolina mezclada con
aire hace explosión cuando salta la
chispa eléctrica en la bujía. La explosión
produce gases en expansión que
mueven el pistón.
12. La secuencia que mejor describe las transformaciones de energía en el pistón, es
(la flecha) significa, se transforma en)
a) Energía eléctrica de la bujía
e energía mecánica de expansión de los gases energía mecánica de
los pistones.
b) Energía química de la mezcla combustible - aire energía mecánica de
expansión de los gases energía mecánica de los pistones.
c) Energía eléctrica de la bujía energía química de la mezcla de los gases
calor energía mecánica del pistón
d) Energía química de la mezcla energía eléctrica de la bujía
energía mecánica del pistón
113
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
13. Después de que ha saltado la chispa dentro del pistón, los gases se expanden y
hacen retroceder el pistón, suponiendo que la temperatura es constante en el
proceso de expansión. De los siguientes diagramas Presión-Volumen (P-V) quien
mejor representa la expansión de los gases dentro del pistón, es
a) b)
c) d)
14. De los siguientes diagramas Temperatura- Volumen (T-V) quien mejor
representa la expansión en la preguntan anterior, es
a) b)
c) d)
15. ¿Cuál es el proceso para licuar un gas?
a) Compresión isoterma y expansión adiabática
b) Compresión adiabática y expansión isoterma.
c) Compresión isoterma y compresión adiabática.
d) Compresión isocora y compresión isoterma.
P
V
P
V
P
V
P
V
T
V
T
V
T
V
T
V
114
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
Conteste las preguntas 16 y 17 de acuerdo con la siguiente información
16. Se tienen dos muestras de dióxido de carbono CO2 a
las mismas condiciones de volumen Vi=0,5m3,
presión Pi = 1000Pa y temperatura Ti =305K. Bajo
estas condiciones es posible considerar el CO2 como
un gas ideal. Sobre una de las muestras se realiza un
proceso isotérmico desde el estado inicial A hasta el
estado final B y sobre la otra se realiza un proceso
adiabático desde el estado inicial A hasta el estado
final C, como se indica en la gráfica P-V.
Teniendo en cuenta que W representa el trabajo hecho por el CO2 y Q el calor
absorbido por el CO2, se puede afirmar que
a) WA→B = WA→C b) QAC = QAB c) WA→B > WA→C d) QAC > QAB
17. La gráfica P contra T de los procesos A→B y A→C de las respectivas muestras es
18. A Carnot heat engine operates between 400K and 500 K. Its efficiency is:
a) 20% b) 25% c) 44% d) 79%
19. Una caja de paredes exteriores adiabáticas tiene una
pared interna que separa el gas de la izquierda con temperatura y presión mayores que las del gas de la derecha.
Si la pared interna
a) Es móvil y adiabática la temperatura final es igual en ambas divisiones. b) Es fija y diatérmica la presión final en ambas divisiones es la misma. c) Permite el intercambio de partículas las presiones finales son iguales pero las
temperaturas distintas. d) Es móvil y diatérmica las presiones finales son iguales y las temperaturas
finales iguales.
P
T
T
T
T
P
P
P
a)
b)
c)
d)
A
A
A
B
B
B
C
C
C
A
C
B
115
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
Responda las preguntas 20 a 21 de acuerdo con la siguiente información Se tiene un gas ideal encerrado por un pistón como muestra la figura El pistón comprime el gas del volumen V1 a un volumen V2 a temperatura constante T0. De los siguientes enunciados, referentes a este proceso, I. la energía interna del gas permanece constante II. el pistón hace trabajo sobre el gas III. la presión del gas disminuye, pues la temperatura es constante 20. Son correctos
a) I y III b) I y II c) II y III d) Sólo II 21. De las siguientes gráficas, en donde C1, C2 y C3 son constantes Las que
corresponden al proceso de la pregunta anterior son
a) I y II b) II y III c) I y III d) I, II y III
Responda las preguntas 22 y 23 de acuerdo con la siguiente información El dispositivo indicado en la figura consta de una caja dividida en dos partes por un émbolo sin fricción. En el compartimiento de la izquierda hay n moles de gas ideal y un resorte de constante K y longitud natural l que sujeta el émbolo permaneciendo elongado en equilibrio, como se muestra.
I
V
T
V
P
P2
P1
V2
V1
P=C1/V
II
P
P2
P1
T2
T1
P=C2T + C3
T
T0
III
V2
V1
116
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
22. De acuerdo con esto y sabiendo que la temperatura del gas es To, se tiene que la
constante K del resorte es igual a
a) nRT0 b) nRT0/6l2 c) nRT0/l d) nT0/3lR
23. Si en el compartimiento vacío de la situación anterior se introducen n moles de gas
ideal, sucederá que el émbolo
a) Permanece en donde estaba, pues las presiones de los gases son iguales en los dos compartimientos
b) Se corre hacia la izquierda puesto que el nuevo gas ejerce fuerza sobre el émbolo
c) Se corre hacia la derecha dado que el resorte debe comprimir el nuevo gas d) Puede moverse a un lado u otro dependiendo de la presión del vacío en la
situación inicial. 24. En la gráfica se muestran dos procesos
a) Isobaro e isotermo b) Adiabático e isotermo c) Isócoro e isotermo d) isotermo e isométrico
117
NO ES UN LIBRO – PROHIBIDA SU VENTA
COLEGIO DE LA SAGRADA FAMILIA
AREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL HOJA DE RESPUESTAS 2 – LEYES DE LA TERMODINÁMICA
NOMBRE: GRADO 10°:
Rellene el cuadro cuya letra es la respuesta correcta. Hazlo con lapicero. Rellenar más de una opción anula la respuesta. No se permiten tachones ni enmendaduras.
N° OPCIONES
1 A B C D E
2 A B C D E
3 A B C D E
4 A B C D E
5 A B C D E
6 A B C D E
7 A B C D E
8 A B C D E
9 A B C D E
10 A B C D E
11 A B C D E
12 A B C D E
13 A B C D E
14 A B C D E
15 A B C D E
16 A B C D E
17 A B C D E
18 A B C D E
19 A B C D E
20 A B C D E
21 A B C D E
22 A B C D E
23 A B C D E
24 A B C D E
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