calorimetria fisica, Ejercicios de Física

¡Descarga calorimetria fisica y más Ejercicios en PDF de Física solo en Docsity! 3: CALOR Y CAMBIOS DE FASE DEL AGUA 3.1 INTRODUCCIÓN El calor es una forma de energía que se transfiere de un cuerpo a otro únicamente en virtud de su diferencia de temperaturas. Todo cuerpo está constituido por un conjunto muy grande de átomos y moléculas y la suma de las energías cinéticas y potenciales de todas las partículas constituyentes del cuerpo se denomina energía interna. Cuando dos cuerpos se ponen en contacto térmico, el cuerpo que se encuentra a mayor temperatura transfiere parte de su energía interna al cuerpo de menor temperatura. Ésta energía transferida se denomina calor o energía térmica. Por ejemplo, cuando calentamos agua, inicialmente a la temperatura ambiente, el flujo de calor desde la cocina ocasiona que la energía interna de las moléculas del agua se incremente y ahora éstas se muevan con mayor rapidez, lo cual es más visible a medida que alcanzan la temperatura de ebullición. Los cambios de fase de una sustancia son procesos que involucran transferencia de energía calorífica a temperatura constante y los más comunes que podemos apreciar, y aquí presentamos, son los cambios de fase del agua a la presión atmosférica. 3.2 EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR James P. Joule (1818-1891), científico inglés, en 1843 demostró experimentalmente que el calor es una forma de energía. En su experimento, ver fig.3.1, un conjunto de pesos se dejan caer desde una altura determinada, haciendo girar las paletas que se encuentran dentro de un recipiente aislante con agua, es decir, se efectúa un trabajo mecánico sobre el agua. El equipo se diseña de manera que la pérdida de energía por fricción (en poleas, cojinetes, etc.) sea despreciable. Así, la energía potencial mecánica de las pesas aparece como energía para calentar el agua. Joule encontró que por cada 4,186 J de trabajo mecánico que se realizaba, la temperatura de un gramo de agua se incrementaba en 1°C. Si designamos como una caloría, a la cantidad de calor que necesita un gramo de agua para incrementar su temperatura en 1°C, entonces: 1 cal = 4,186 J Ésta relación se conoce como el equivalente mecánico del calor, la cual nos proporciona un factor de conversión entre calorías y Joules. 3.3 CAPACIDAD CALORÍFICA Y CALOR ESPECÍFICO CAPACIDAD CALORÍFICA Las sustancias difieren entre sí en la cantidad de calor que necesitan para experimentar el mismo cambio de temperatura. Por ejemplo, 1 Kg de agua necesita 1 Kcal (1 000 calorías) para elevar su temperatura en 1°C, mientras que 1 Kg de aluminio necesita solamente 0,22 Kcal para incrementar su temperatura en 1°C. Ésta característica que tienen las diferentes sustancias se le denomina Termómetro Peso Peso Recipiente Aislante Rueda de Paletas Agua Figura 3.1 Dispositivo experimental de Joule para determinar el equivalente mecánico del calor. LF = LS = 80 Kcal/kg El calor latente de vaporización del agua (igual al de condensación), es: LV = LC = 540 Kcal/kg 3.5 CALORÍMETRO DE MEZCLA Un calorímetro es un recipiente que se diseña y se construye de modo que térmicamente se encuentre aislado, impidiendo el flujo calorífico entre el interior y el exterior del calorímetro. En la fig.3.4 se muestra esquemáticamente un calorímetro. Una de las aplicaciones más importantes del calorímetro es la determinación del calor específico de las diferentes sustancias, usando un medio refrigerante de calor específico conocido (en el calorímetro que mostramos el refrigerante es agua). 5 85 185 725 540 Kcal 80 Kcal 100° 0° -10° T (°C) Q (Kcal) Vaporización Condensación Calentamiento Enfriamiento Fusión Solidificación Vapor Recalentado Figura 3.2 Gráfica de la temperatura Vs el calor para 1Kg de hielo, inicialmente a –10°C, el cual es vaporizado. Se trata también de representar el proceso inverso de enfriamiento desde la fase vapor a la fase sólida. Termómetro En una técnica conocida como “mezcla”, para determinar el calor específico, se calienta una muestra de masa “m” hasta una temperatura Tc, y luego ésta se introduce dentro del calorímetro con agua (agua y calorímetro se encuentran a la temperatura Ta). Se registra la temperatura de equilibrio del sistema Te y haciendo uso de la ley de conservación de la energía, es decir, la energía calorífica perdida por la muestra caliente debe ser igual a la energía calorífica ganada por el agua y el calorímetro, obtenemos la siguiente relación: )T T(mc )T T(m c )T (T m c aecalorímcalorímaeaaecx  , (3.6) Dónde: ma, es la masa de agua en el calorímetro, ccalorím, es el calor específico del recipiente calorimétrico y, mcalorím, es la masa del recipiente calorimétrico. Figura 3.4. Calorímetro de mezcla Termómetro Agua Tapa aislante Pared aislante Muestra de ensayo La cantidad, ccalorím mcalorím, es la capacidad calorífica del calorímetro. En los trabajos técnicos, es usual reportar la capacidad calorífica del calorímetro mediante el equivalente en agua del calorímetro. El equivalente en agua de un calorímetro, V, es una masa de agua con igual capacidad calorífica que el calorímetro, esto es: caV = ccalorím mcalorím Así, el equivalente en agua se expresa en unidades de masa. Por ejemplo, si el equivalente en agua de un calorímetro es V = 2 gramos, la capacidad calorífica del calorímetro es 2 cal/°C. A partir de la ec. (3.6), haciendo uso del equivalente en agua del calorímetro, la relación para determinar el calor específico de la muestra es: )T ( )T-V)(Tc (c e aeaa    c a x Tm m c , (3.7) 3.6 PROBLEMAS PROPUESTOS 1. ¿Qué cantidad de agua a 20 ºC deba de mezclarse con agua de 40 ºC para obtener 35 g de agua a 35 ºC?. A) 2,52 g B) 5,24 g C) 7,51 g D) 8,75 g E) 9,41 g 2. ¿Cuántos cubos de hielo de 10 g a 0º C se requieren para enfriar un vaso, cuya capacidad calorífica es de 540 cal/ºC, que contiene 100 g de refresco a 20º C de modo que su temperatura descienda hasta 0ºC? A) 10 9. En un diagrama de temperatura-calor se muestra el calentamiento y cambio de fase de una pieza metálica. Los valores de sus calores específicos en sus fases sólida y liquida son 0,1 cal/g°C y 0,2 cal/g°C, respectivamente. Determine el valor del calor latente de fusión, en cal/g. A) 1,25 B) 2,45 C) 3,18 D) 4,15 E) 5,12 10. El diagrama muestra el calentamiento y la fusión de cierto metal, si L = 49 cal/g, halle el calor específico, en cal/g ºC, en la fase líquida. A) 0,05 cal/g ºC B) 0,10 cal/g ºC C) 0,15 cal/g ºC D) 0,20 cal/g ºC E) 0,25 cal/g ºC 11. En un depósito aislado térmicamente hay 5 litros de agua del cual se extrae 1 litro y levantándolo una altura “H” es dejado caer al mismo depósito observándose que la temperatura aumenta en 0,0098°C. Halle “H” (en m). El calor específico del agua es 4180 J/Kg°C. Considere g = 9,8 m/s2. A) 12,9 B) 16,5 C) 20,9 D) 24,6 E) 28,3 800 3760 T(ºC) Q(Cal) 60 20 -5 T(ºC) Q(Cal) 40 180 260 200 60 12. En un calorímetro cuya capacidad es 40 cal/°C y se encuentra a 20°C se colocan 80g de agua a 50°C y “x” gramos de hielo a 0°C. Calcular “x”, si la temperatura de equilibrio es de 10°C. A) 50 B) 40 C) 100 D) 80 E) 60 13. En un calorímetro de equivalente en agua despreciable se tienen “m” g de agua a 15°C. Si se introducen 100g de un cierto metal a 60°C la temperatura de equilibrio es de 30°C pero si dicho metal se introduce en “2m” g de agua a 15°C, entonces la temperatura de equilibrio en °C será: A) 24 B) 14 C) 30 D) 20 E) 40 14.Usando un calentador de 400 W se prepara una jarra de té, para lo cual se debe hacer hervir medio litro de agua desde la temperatura inicial de 20ºC. Halle el tiempo necesario para esto.(1 cal = 4,18 J) A) 5,25 minutos B) 6,96 min C) 7,98 min D) 8,91 min E) 9,81 min 15. Halle la altura desde la cual se debe dejar caer un cuerpo cuyo calor específico es de 0,5 cal/ g ºC, para que su temperatura se incremente en 1,2 ºC. Considere que en el choque toda la energía mecánica del cuerpo se convierte en calor que gana el mismo cuerpo (1 cal = 4,2 J y g = 10 m/s2). A) 240 m B) 245 m C) 248 m D) 252 m E) 260 m