CALOR II

Cambio de faseCuando una sustancia absorbe una cantidad de calor, la velocidad de sus molculas aumentay su temperatura se eleva. Dependiendo del calor especifico de la sustancia, la elevacinde temperatura es directamente proporcional a la cantidad de calor suministrado einversamente proporcional a la masa de la sustancia. Sin embargo, cuando un slido sefunde o cuando un lquido hierve ocurre algo curioso. Durante el cambio de fase latemperatura permanece constante hasta que todo el slido se funde o hasta quetodo el lquido hierve.El calor latente de fusin Lf de una sustancia, es el calor por unidad de masa necesariopara cambiar la sustancia de la fase slida a la lquida a su temperatura de fusin.

El calor de vaporizacin Lv de una sustancia, es el calor por unidad de masa necesariopara cambiar la sustancia de lquido a vapor a su temperatura de ebullicin.

En el grfico se muestra el caso del agua, en condiciones normales. Se parte con una masade hielo que est una temperatura inferior a 0 C, este hielo se calienta hasta transformarloen vapor de agua, pasando por su fase lquida:

Nota: Los procesos adiabticos son aquellos donde no fluye calor hacia fuera o hacia dentrodel sistema. Por ltimo se debe decir que los procesos Isotrmicos, isobricos e isocricosson aquellos donde permanece constante la temperatura, la presin y el volumenrespectivamente.

C U R S O: FSICA MENCINMATERIAL: FM-21

Lf = Qm

Lv = Qm

Q = m Lf

Q = m Lv

T(C)

100

0

540 cal/g

80 cal/gAgua y vaporSlo agua Slo vapor

Hielo yaguaHielo

Q (cal)

2Transmisin del calorConduccinSuponga que una persona sostiene uno de los extremos de una barra metlica, y que elotro extremo se pone en contacto con una llama. Los tomos o molculas del extremocalentado por la llama, adquieren una mayor energa de agitacin. Parte de esta energase transfiere a las partculas de la regin ms prximas a dicho extremo, y entonces latemperatura de esta regin tambin aumenta. Este proceso contina a lo largo de la barra,y despus de cierto tiempo, la persona que sostiene el otro extremo percibir una elevacinde temperatura en ese lugar.

Por tanto, hubo una transmisin de calor a lo largo de la barra, que continuar mientrasexista una diferencia de temperatura entre ambos extremos. Observemos que estatransmisin se debe a la agitacin de los tomos de la barra, transferida sucesivamente deuno a otro tomo, sin que estas partculas sufran ninguna traslacin en el interior delcuerpo. Este proceso de transmisin del calor se denomina conduccin trmica.La mayor parte del calor que se transfiere a travs de los cuerpos slidos, es transmitidade un punto a otro por conduccin.Dependiendo de la constitucin atmica de una sustancia, la agitacin trmica podrtransmitirse de uno a otro con mayor o menor facilidad, haciendo que tal sustancia seabuena o mala conductora del calor. As, por ejemplo, los metales son conductores trmicos,mientras que otras sustancias, como, corcho, porcelana, madera, aire, hielo, lana, papel,etc., son aislantes trmicos, es decir, malos conductores de calor. Esta propiedad estrelacionada con la conductividad trmica de los materiales.

sublimacin

fusin vaporacin

solidificacin condensacin

evaporacinebullicin

Absorbe Calor

Cede Calorfig. 2

Slido Lquido Gaseoso

Barra de fierro

Llama calrica

Mechero

fig. 3

3RadiacinEs el proceso mediante el cual el calor se transfiere por medio de ondas electromagnticas.La fuente ms evidente de energa radiante es nuestro Sol. Ni la conduccin ni laconveccin pueden intervenir en el proceso de transferencia que hace llegar su energatrmica a la Tierra. Sin embargo, cuando entra en juego un medio material, latransferencia de calor que se puede atribuir a la radiacin generalmente es pequea, encomparacin con la cantidad que se transfiere por conduccin y conveccin.

ConveccinCuando un recipiente con agua es colocado sobre un mechero, la capa de agua del fondorecibe calor por conduccin. Por consiguiente, el volumen de esta capa aumenta, y por tantosu densidad disminuye, haciendo que se desplace hacia la parte superior del recipiente paraser reemplazada por agua ms fra y ms densa, proveniente de tal regin superior. Elproceso contina, con una circulacin continua de masas de agua fra hacia abajo,movimientos que se denominan corrientes de conveccin. As el calor que se transmitepor conduccin a las capas inferiores, se va distribuyendo por conveccin a toda la masadel lquido, mediante el movimiento de traslacin del propio lquido.La mayor parte del calor que se transmite a travs de los fluidos y gases es por conveccintrmica.

mecherollama

fig. 5

fig. 4Sol Tierra

4EJEMPLOSDonde sea til, considere g = 10 m/s2

1. Una sustancia que es calentada en forma uniforme, vara su temperatura de acuerdo alo que muestra el grfico de la figura 6. Indique el o los segmentos donde estasustancia coexiste en dos fases al mismo tiempo

A) AB EFB) BC CDC) CD DED) BC DEE) en todos los segmentos mostrados.

2. 20 g de una sustancia que est a 0 C al estar en fase lquida, son calentados en formauniforme, de modo que su temperatura vari de la forma mostrada en el grfico de lafigura 7. De acuerdo a este grfico el calor especfico, en cal/gC, de esta sustancia ensu estado de gas es

A) 1,600B) 0,500C) 0,625D) 0,375E) 0,125

3. El grfico de temperatura versus energa calorfica, fue hecho con los datos obtenidos alcalentar una sustancia. De acuerdo a lo que se muestra en el grfico de la figura 8, seafirma que la sustancia

A) experiment tres cambios de fase.B) aument su temperatura hasta T3 pero sin cambiar de fase.C) desde T1 hasta T3 est cediendo energa.D) experiment dos cambios de fase.E) desde T1 hasta T3 siempre estuvo aumentando su temperatura.

Q(cal)

T(C)

40

120

1000 2000 3000

fig. 7

Q(cal)

T(C)

EDC

BA0

T1

T2

T3

fig. 8

Q(cal)

T(C)ED

CB

A

F

fig. 6

5PROBLEMAS DE SELECCIN MLTIPLE

1. Un cubo de hielo de 200 g que est a 0 C es dejado caer desde cierta altura llegandoal piso con una rapidez de 40 m/s. Si toda la energa mecnica que tena al comienzose le hubiese entregado en forma de calor al cubo, la cantidad de hielo derretido seraDatos:LF = 80 cal/gUse que 1 cal = 4 JA) 0,5 gB) 2,0 gC) 5,5 gD) 40,0 gE) 200,0 g

2. Una caja de 40 kg cae al piso desde una altura de 20 m y al llegar al piso se queda enreposo. Si toda la energa que tena inicialmente en forma de energa potencialgravitatoria se hubiese usado para derretir una masa de hielo de 80 g que est a -5 C,la cantidad de hielo que se hubiese transformado en agua esDatos:chielo = 0,5 cal/gCLF = 80 cal/gUse que 1 cal = 4 JA) 80,0 gB) 40,0 gC) 22,5 gD) 18,5 gE) 10,0 g

3. La fusin de un slido se produceI) a temperatura constante.II) cuando se transforma un slido en lquido.III) a 100 C en condiciones normales de presin.

Es (son) correcta(s)A) slo I.B) slo II.C) slo I y II.D) slo II y III.E) I, II y III.

64. Los IGLUS, si bien estn hechos de hielo, posibilitan a los esquimales vivir en ellosporque

A) el calor especfico del hielo es mayor que el del agua.B) el calor especfico del hielo es despreciable comparado con el del agua.C) la capacidad trmica del hielo es muy grande.D) el hielo no es un buen conductor de calor.E) la temperatura externa es igual a la interna.

5. Se tienen dos situaciones distintas, en la situacin I hay una balanza donde en uno desus platos hay un envase cerrado con hielo en su interior y en el otro plato hay trespesas que equilibran la balanza. En la situacin II hay dos cuerpos a distintatemperatura uno de ellos, el ms pequeo, est ubicado sobre el ms grande. Respectoa estas situaciones es siempre verdadero que

A) en I si se derrite todo el hielo el equilibrio no se mantiene ya que vari la masa.B) en II hay transferencia de calor del ms grande al ms pequeo.C) en I debido a que el hielo se sublima se pierde el equilibrio.D) en II despus de un tiempo los cuerpos se encuentran a la misma temperatura.E) en II despus de un tiempo los cuerpos tendrn la misma cantidad de energa

interna.

6. Una persona anda descalza en el interior de su casa donde las paredes, el piso y el aireestn en equilibrio trmico. La persona siente el piso de cermica ms fro que el demadera debido a

A) efectos psicolgicos.B) diferencias en las propiedades de conduccin entre la cermica y la madera.C) la diferencia de temperatura entre la cermica y la madera.D) la diferencia entre los calores especficos entre la cermica y la madera.E) diferencias en las propiedades de radiacin entre la cermica y la madera.

7. En un da de verano una persona despus de caminar a pleno Sol entra a unahabitacin donde la luz del Sol no llega debido a la ausencia de ventanas. La personaentra y se sienta en el piso, despus de un rato comienza a sentir fro. Respecto a estasituacin es correcto afirmar que la persona entreg calor a la habitacin

A) slo por conduccinB) slo por conveccinC) slo por radiacin y conduccin.D) slo por conduccin y conveccin.E) por radiacin, conduccin y conveccin.

I) II)

78. Un trozo de hielo se calienta desde los -20 C hasta los 120 C, entonces la alternativaque muestra una aseveracin correcta es

A) en D slo hay vapor de agua.B) en A coexiste agua y hielo.C) en B el hielo aumenta su temperatura sin variar el calor.D) en E hay una mezcla de agua con vapor de agua.E) en C slo hay agua.

9. Respecto al calor y a su conduccin se afirma que el aire es un buen conductor del calor. el calor se puede transferir de un punto a otro por conveccin. el calor se transfiere de un cuerpo a otro slo porque no poseen la misma cantidad

de energa interna.Responda con una V si es verdadera o F si es falsa cada una de las afirmacionesanteriores en el mismo orden de aparicin.A) VVV.B) FFF.C) FVV.D) VVF.E) FVF.

10. La estrella de la cual recibe calor el planeta Tierra es el Sol, se dice que la Tierra escalentada principalmente por ondas

A) de rayos gamma.B) de rayos X.C) de luz visible.D) de luz ultravioleta.E) de luz infrarroja.

Q(cal)

T(C)

EDC

BA0

-20

100

120

fig. 8

811. A continuacin se presentan distintas situaciones que se relacionan con la forma depropagarse el calor.

I) Al colocar el extremo de un cuchillo de metal sobre una llama, entonces elcalor hacia el resto del cuchillo se propaga por conduccin.

II) Al colocar las manos a un costado y rodeando la llama de una vela lasmanos se calientan por conveccin.

III) en el interior de una tetera, puesta sobre uno de los quemadores de lacocina, el agua se calienta por conveccin.

Es (son) correcta(s)A) slo I.B) slo II.C) slo III.D) slo I y II.E) slo I y III

12. Respecto a los cambios de estado se hacen distintas afirmaciones, como cuando seafirma que la ebullicin y evaporacin son lo mismo. se necesita la misma cantidad de energa para pasar 1 g de hielo al estado de agua,

que para pasar 1 g de agua al estado de vapor. es posible pasar directamente del estado de vapor al estado slido, slo que en el

proceso debe haber variacin de temperatura. El agua que est en un recipiente cerrado puesto al Sol, no se evapora.Para cada una de las afirmaciones anteriores si es verdadera ponga V y si es falsaponga F, en el mismo orden en que aparecieron, por lo tanto es correcto lo indicado enA) VVVVB) FFFFC) VVVFD) FFFVE) FFVF

CLAVES DE LOS EJEMPLOS1D 2C 3D

DMONFM-21

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