Guia-de-calor-y-conduccion-termica-1-2018.pdf

FS-200 F´ısica General II

I - Per´ıodo - 2018 UNIVERSIDAD NACIONAL AUT´ ONOMA DE HONDURAS

Escuela de F´ ısica Departamento de Materia Condensada

Gu´ıa de Calor y Conducci´ on T´ ermica Fis. Ram´ on Ch´ avez

N◦ Cuenta:

Nombre:

N◦ lista:

Secci´ on: INSTRUCCIONES: Resuelva cada uno de los siguientes problemas en forma clara y ordenada escribiendo su respuesta con l´apiz tinta y encerr´ andola en un cuadro. Se debe de entregar esta gu´ıa de estudio resuelta en el d´ıa que su profesor lo indique. PARTE A: PROBLEMAS DE CALOR 1. Una tetera de aluminio de 1.50 kg que contiene 1.80 kg de agua se coloca sobre la estufa. Si no se transfiere calor al entorno, ¿cu´ anto calor debe agregarse para elevar la temperatura de 20.0 a 85.0o C? R/ 5.79 × 105 J

2. Un peque˜ no calentador el´ectrico por inmersi´ on se utiliza para hervir 136g de agua para una taza de caf´e instant´ aneo. El calentador es de 220W. Calcule el tiempo necesario para hervir esta agua de 23.5o C al punto de ebullici´on, despreciando cualquier p´erdida de calor. R/ 198 seg

3. ¿ Cu´ anto calor se libera cuando se forma hielo a -10 o C a partir de 0.75 Kg de vapor de agua a 120 o C ?(Lf = 334 x103 J/kg, LV = 2256 x 103 J/kg, CV apor =2010 J/kg o C y CHielo =2100 J/kgo C) R/ −2.3M J

4. Una caja con fruta, con masa de 35.0 kg y calor espec´ıfico de 3650 J/Kg·K, baja desliz´andose por una rampa de 8.00 m de longitud, que est´ a inclinada 36.9o bajo la horizontal. a) Si la caja parte del reposo y tiene una rapidez de 2.50 m/s en la base de la rampa, ¿cu´ anto trabajo efectu´ o la fricci´on sobre ella? b) Si una cantidad de calor igual a la magnitud de dicho trabajo realizado por la fricci´ on pasa a la caja de fruta y la fruta alcanza una temperatura final uniforme, ¿qu´e magnitud tiene el cambio de temperatura? R/ (a) −1.4 × 103 J, (b) 1.21 × 10−2

o

C

5. Una bala de 15.0 g viaja horizontalmente a 865 m/s y pasa a trav´es de un tanque que contiene 13.5 kg de agua y emerge con una velocidad de 534 m /s. ¿Cu´ al es el incremento m´aximo en la temperatura que el agua podr´ıa tener como resultado de este evento? R/ 0.0613o C

6. Imagine que trabaja como f´ısico e introduce calor en una muestra s´olida de 500.0 g a una tasa de 10.0 kJ/min mientras registra su temperatura en funci´ on del tiempo. La gr´afica de sus datos se muestra en la figura. a) Calcule el calor latente de fusi´ on del s´ olido. b) Determine los calores espec´ıficos de los estados s´olido y l´ıquido del material. R/ (a) 3.00 × 104 J/Kg·K, (b) 1.00 × 103 J/Kg·K

FS-200 F´ısica General II

I - Per´ıodo - 2018

7. Una combinaci´ on de 0.250kg de agua a 20.0o C, 0.40kg de aluminio a 26.0o C y 1.0kg de cobre a 100o C se mezcla en un contenedor aislado y se les permite llegar al equilibrio t´ermico. Ignore cualquier transferencia de energ´ıa hacia o desde el contenedor y determine la temperatura final de la mezcla R/ 23.6o C

8. Una olla de cobre con una masa de 0.500 kg contiene 0.170 kg de agua, y ambas est´an a una temperatura de 20.0o C. Un bloque de 0.250 kg de hierro a 85.0o C se deja caer en la olla. Encuentre la temperatura final del sistema, suponiendo que no hay p´erdida de calor a los alrededores. R/ 27.5o C

9. En un recipiente aislado de 250g de hielo a 0o C se agregan a 600g de agua liquida a 18.0o C. a)Cu´al es la temperatura final del sistema, b)Cu´ anto hielo permanece cuando el sistema alcanza el equilibrio? R/ a) 0.0o C b)114 g

10. Una persona prepara una cantidad de t´e helado mezclando 520g del t´e caliente (esencialmente agua) con una masa igual de hielo a 0o C. ¿Cuales son la temperatura final y la masa de hielo restante si el t´e caliente esta inicialmente a una temperatura de a)90.0o C b)70.0o C? R/ a) 5.26o C, no queda hielo b) 0.0o C, quedan 62.0 g de hielo

11. ¿Qu´e masa de vapor a 100o C debe mezclarse con 150 g de hielo a 0o C en un contenedor t´ermicamente aislado para que produzca agua l´ıquida a 50o C? R/ 0.033 kg

12. Un calor´ımetro de cobre de 0.100 kg contiene 0.160 kg de agua y 0.0180 kg de hielo en equilibrio t´ermico a presi´ on atmosf´erica. Si 0.750 kg de plomo a 255o C se dejan caer en el calor´ımetro, ¿qu´e temperatura final se alcanza? Suponga que no se pierde calor al entorno. R/ 21.4o C

13. En un recipiente de masa despreciable, 0.0400 kg de vapor de agua a 100 o C y presi´on atmosf´erica se agregan a 0.200 kg de agua a 50.0 o C. a) Si no se transfiere calor con el entorno, ¿qu´e temperatura final alcanzar´a el sistema? b) A la temperatura final, ¿cu´ antos kilogramos hay de vapor de agua y cu´antos de agua l´ıquida? R/ (a) T = 100o C y (b) 0.0186kg, 0.0214 kg

´ PARTE A: TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCION 14. Dos barras, una de bronce y otra de cobre, est´ an unidas extremo con extremo. La longitud de la barra de lat´ on es 0.200 m y la de cobre es 0.800 m. Cada segmento tiene un ´area de secci´on transversal de 0.00500 m2. El extremo libre del segmento de lat´ on est´ a en agua hirviendo y el extremo libre del segmento de cobre se encuentra en una mezcla de hielo y agua, en ambos casos a la presi´ on atmosf´erica normal. Los lados de las varillas est´an aislados, por lo que no hay p´erdida de calor a los alrededores. a) ¿Cu´ al es la temperatura del punto en el que los segmentos de lat´on y cobre se unen? b) ¿Qu´e masa de hielo se funde en 5.00 min por el calor conducido por la varilla compuesta? R/ (a) T = 53.1o C y (b) 0.115 kg

15. Un carpintero construye una pared exterior con una capa externa de madera de 3.0 cm de espesor y una capa interna de espuma de poliestireno de 2.2 cm de espesor. La madera tiene k = 0.080 W/m·K y el poliestireno k = 0.010 W/m·K. La on entre la temperatura de la superficie interior es de 19.0o C, y la exterior, −10.0o C. a) Calcule la temperatura en la uni´ madera y la espuma de poliestireno. b) Calcule la rapidez de flujo de calor por metro cuadrado a trav´es de esta pared. R/ (a) T = −5.8o C y (b) 11 W/m2

16. Un horno de cocina el´ectrico tiene un ´ area de pared total de 1.40 m2 y est´a aislado con una capa de fibra de vidrio de 4.00 cm de espesor. La superficie interior de la fibra de vidrio est´a a 175 o C, y la exterior, a 35.0o C. La fibra de vidrio tiene una conductividad t´ermica de 0.040W/m·K . a) Calcule la corriente de calor en el aislante, trat´andolo como una placa plana con un ´ area de 1.40 m2 . b) ¿Qu´e aporte de potencia el´ectrica requiere el elemento calentador para mantener esta temperatura? R/ 196 W

17. Una varilla larga y aislada para evitar p´erdidas de calor por sus costados est´a en contacto t´ermico perfecto en un extremo con agua hirviendo (a presi´ on atmosf´erica) y con una mezcla de agua y hielo en el otro (figura). La varilla consiste en un tramo de 1.00 m de cobre (con un extremo en contacto con agua hirviendo) unido por su extremo a un tramo de acero de longitud L2 (con un extremo en contacto con la mezcla de hielo y agua). Ambos tramos tienen un ´ area de secci´ on transversal de 4.00 cm2. La temperatura en la uni´on cobreacero es de 65.0o C una vez que se alcanza el estado de equilibrio.

FS-200 F´ısica General II

I - Per´ıodo - 2018

a) ¿Cu´ anto calor por segundo fluye del agua hirviendo a la mezcla de hielo y agua? b) ¿Qu´e longitud L2 tiene el tramo de acero? R/ (a) 5 39 J/s. 0.242 m

18. Dos varillas rectangulares id´enticas de metal se sueldan extremo con extremo como se ilustra en la figura (a), y por ellas fluyen 10 J de calor en 2.0 min. ¿Cu´ anto tardar´an 30 J en fluir si las varillas se sueldan como se observa en la figura (b)? R/ 1.5 min

El universo no solo es mas extra˜ no de lo que pensamos, es mas extra˜ no de lo que podemos pensar. Werner Heisenberg