UNIVERSIDAD DE EL SALVADORFACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS FISICA II/2015 GUÍA DE DISCUSIÓN Nº 5 UNIDAD: TEMPERATURA pero se pone a los dos en contacto térmico y rápidamente alcanzan el equilibrio. pero no necesariamente. a) B y C también se encontrarán en equilibrio térmico. C y D. pero no necesariamente. superficial. 23. c) B y D no pueden encontrarse en equilibrio térmico. 17. microscópicas 5. Medio ambiente o alrededores 4. c) B y C no pueden encontrarse en equilibrio térmico. Ley de Charles-Gay Lussac 24. 19. señale la respuesta correcta. Presión y temperatura estándar 14. Propiedad termométrica 11. Se concluye que: a) B y D se encuentran en equilibrio térmico. Ecuación de Estado B. Expansión térmica. Equilibrio térmico 7. Punto fijo de temperatura 12. Temperatura Ciclo I/2015 A. 20. Expansión térmica: lineal. 1) Considere cuatro objetos A. d) la ley cero de la termodinámica no se aplica en este caso. 2) Los objetos B y C se encuentran inicialmente en equilibrio térmico. b) B y C podrían encontrarse en equilibrio térmico. Gas ideal. antes de recibir la discusión. Escala de temperatura. Dadas las siguientes preguntas de opción múltiple. Variables de estado termodinámicas 6.2 Guía de Discusión Nº 5. Ley de Boyle. (Este literal es necesario que el estudiante lo trabaje. sistema termodinámico 3. 18. Temperatura 9. Número de moléculas (N). Después de hacer esto. Los objetos A y C no lo están inicialmente. B. Número de moles (n). Sistema en general. volumétrica. Se comprueba que A y B están en equilibrio térmico. explicar o comentar los siguientes conceptos o términos. ya que hay más de tres objetos. 22. Termodinámica 2. no así A y C. Ley de Avogadro. Termómetro 10. d) No es posible opinar por falta de información 3) ¿En qué temperatura coinciden las escalas Fahrenheit y Celsius? a) 40 F b) 0 F c) 32 F d) 40 F e) 104 F 4) ¿En qué temperatura coinciden las escalas de Fahrenheit y Kelvin? a) 100 F b) 273 F c) 574 F d) 844 F . También se comprueba que C y D lo están. Variables termodinámicas: macroscópicas. 16. ya que esto le ayudará a responder adecuadamente los literales B y C). 21. b) B y D podrían encontrarse en equilibrio térmico. Gas real. Punto triple de agua 13. 1. Definir. Ley cero de la termodinámica 8. 15. Después del calentamiento la superficie del hoyo. la tira se expande y se dobla hacia el cobre. la tira se expande y se dobla hacia el aluminio.4 cm 44 cm 4. 6) ¿Por qué un vaso a veces se rompe si vaciamos rápidamente agua hirviente en él? a) el agua caliente se expande. extendiendo el vaso. luego aumentará a 30 C y finalmente retornará a 30 C y se detendrá. ¿Qué sucede? a) b) c) d) 9) la tira se expande sin doblarse. Temperatura 5) Ciclo I/2015 Una gran losa metálica plana a una temperatura T0 tiene un hoyo. La columna de mercurio en el termómetro.1 cm 21 cm 2. d) posiblemente cambie de tamaño según su forma. Se calienta el metal hasta que alcanza la temperatura T T0 . luego volverá a 30 C y se detendrá. Una tira de cobre se remacha a otra de aluminio. d) primero caerá por debajo de 20 C . b) primero aumentará por arriba de 30 C . haciendo que las moléculas se separen. El puente mide aproximadamente 2 km de largo y está hecho de acero (con una cinta asfáltica en la carretera).4 m 44 m Si los constructores olvidaron incluir juntas de expansión. la tira se expande y se dobla inicialmente hacia el aluminio y finalmente hacia el cobre. a) ¿Cuál es su cambio aproximado de longitud con esta variación de temperatura? A) B) C) D) b) 4. a) aumenta. luego aumentará por arriba de 30 C y se detendrá. haciendo que se rompa.1 m 21 m . 8) a) aumentará a 30 C y luego se detendrá. b) disminuye c) conserva su tamaño. Después se calientan los dos metales. contrayendo y reduciendo el vaso. c) primero descenderá por debajo de 20 C . La variación diaria de la temperatura en el puente Golden Gate de San Francisco a veces supera los 20 C .3 Guía de Discusión Nº 5. b) el agua caliente se enfría cuando toca el vaso. d) el interior del vaso se expande más rápidamente que el exterior. Después lo sumergimos en un baño a 30 C . ¿qué tamaño aproximado tendrá un “chichón” que se forme en la mitad del puente cuando se expanda? A) B) C) D) 2. c) el vaso se calienta y se expande. 7) Un termómetro de vidrio y mercurio se encuentra inicialmente en equilibrio a 20 C en un baño de agua. 8 L de gas nitrógeno a 350 K y a 100 kPa . Dadas las siguientes preguntas. Temperatura Ciclo I/2015 10) ¿Cuál de las siguientes cantidades tiene la más grande densidad de partícula (moléculas por unidad de volumen)? a) b) c) d) 0. 1. 4. 4) ¿Cómo se describe el comportamiento de un sistema termodinámico? 5) Cite al menos cuatro ejemplos de propiedades termométricas. 6. El sistema se encuentra térmicamente aislado y se permite que llegue a una condición de equilibrio térmico.0 L de gas argón a 250 kPa . ¿Cuándo un cuerpo esta en equilibrio térmico con otros? . 2. 3. ¿Cuál tiene la temperatura más elevada? a) b) c) d) 8. respóndalas razonando su respuesta. 9) ¿Puede un objeto estar más caliente que otro si ambos están a la misma temperatura? 10) ¿Qué expresa la Ley Cero de la Termodinámica? 11) Dos trozos de mineral de hierro caliente se colocan en un recipiente con agua. C.0 L de gas neón a 160 kPa . 1) ¿Cuál es el objetivo de la termodinámica? 2) ¿Cómo se clasifican los sistemas de acuerdo a su relación con el medio ambiente? 3) Enumere tres variables termodinámicas importantes en la descripción macroscópica del estado termodinámico de un sistema. 1.5 moles de uno de los siguientes gases.4 Guía de Discusión Nº 5.5 L de gas oxígeno a 300 K y a 80 kPa .0 L de gas helio a 120 kPa . 8) Escriba la ecuación que relaciona los grados de Fahrenheit con los grados Celsius.0 L de gas hidrógeno a 350 K t a 150 kPa . 6) ¿Qué cualidades hacen que una propiedad termométrica en particular sea adecuada para usarse en un termómetro práctico? 7) Explique porqué la columna de mercurio desciende primero y luego se eleva al calentar con una llama un termómetro de este metal. ¿Es necesariamente cierto que el mineral de hierro y el agua tienen la misma energía térmica y la misma temperatura? 12) En base a la Ley Cero de la Termodinámica.0 L de gas helio a 300 K y a 120 kPa 11) Cuatro contenedores contienen cada un 0.0 L de gas criptón a 300 kPa . 18) Como un elemento de control en el termostato común se emplea una laminilla bimetálica. Encuentre el valor correspondiente al cero absoluto en la escala Fahrenheit. Temperatura Ciclo I/2015 13) Indique la ecuación que define la escala de temperatura de gas ideal y explique su significado. Explique cómo trabaja. Sin embargo. Contenidos: 5. ¿Qué pasaría si calentamos el anillo en lugar de la bola?.5 Guía de Discusión Nº 5. y b) la mitad de ésta? 5) La temperatura normal del cuerpo es de 98. 14) Defina la temperatura absoluta de un sistema termodinámico.5 Escalas de temperatura Celsius y Fahrenheit 1) El cero absoluto en la escala Celsius corresponde a – 273.4 Medición de la temperatura 5. ¿Podría construirse un termómetro de Mercurio y vidrio? 20) ¿Porqué es mucho más difícil hacer una determinación precisa del coeficiente de expasión térmica de un líquido que de un sólido? 21) Demuestre que para un cuerpo sólido el coeficiente de expasión superficial ( ) es el doble del coeficiente de dilatación lineal ( ).0 cm cuando se coloca en agua hirviendo. 19) Si el mercurio y el vidrio tuvieran el mismo coeficiente de expasión térmica. ¿cuál será su temperatura? 3) ¿ A qué temperatura las lecturas de dos termómetros.6 F . que consta de dos laminillas de diferente metal remachadas entre sí. Si la bola y el anillo son de igual material o de diferente material. al calentar la bola ésta se pega en el anillo.0 cm cuando el termómetro se sumerge en agua con hielo y 24.15 oC . La temperatura al aire libre en un día frio es de 3 F . D. uno de ellos graduado en escala celsius y el otro en escala Fahrenheit. Halle la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el aire en grados Celsius. 2) La longitud de una columna de mercurio de un termometro es de 4. Problemas Propuestos. indican la misma lectura? 4) ¿A qué temperatura es la lectura de la escala Fahrenheit igual a a) el doble de la de Celsius. 15) ¿Cuándo un cuerpo experimenta una expansión térmica? 16) ¿Cuáles son los diferentes tipos de expansión térmica que puede experimentar un cuerpo? 17) Una bola de metal puede pasar a través de un anillo de metal.4 cm cuando el termómetro se introduce en una solución química hirviendo. Determine ambas temperaturas en grados Celsius. a) b) ¿Cuál será su longitud en una habitación a 22 C ? La columna de mercurio mide 25. . 725 cm de diámetro a 12 °C. ¿Qué diámetro tiene cuando su temperatura se eleva a 140 °C? 14) ¿Qué volumen tiene una bola de plomo a −12°C si su volumen es de 530 cm3 a 160 °C? 15) Un puente de acero tiene una longitud de 100 m .5 C respectivamente. Calcule: a) La presión a 300 K. la diferencia de temperatura es ∆To .635 atm. del alcohol etilico son -11 C y 78.900 atm y 1. demuestre que ∆T = ∆To e−At en un tiempo t más tarde.6 Termómetro de gas a volumen constante 8) Un termómetro de gas a volumen constante indica una presión de 50 mmHg en el punto triple del agua. Si se supone construido de una estructura única y continua. desde los días. ¿cuánto aumenta su longitud al elevarse su temperatura 15°C? 12) Una regla de 6 pulgadas se expande 0. ¿cuánto variará su longitud. (a) ¿De qué factores depende A? ¿Cuáles son sus dimensiones? (b) Si en algún instante t = 0. Las dos presiones son 0. la razón de enfriamiento o de calentamiento del objeto es proporcional.0014 pulgadas cuando la temperatura se incrementa 1 C . y aumenta si ΔT es negativa. 7) A diario podemos comprobar que los objetos calientes y fríos se enfrían o se calientan respecto a la temperatura de su entorno. b) La temperatura cuando la presión es de 25 mm Hg. Contenido: 5. Convertir estas temperaturas a grados Fahrenheit. d∆T = −A∆T dt donde A es una constante.7 Expansión térmica 11) Un poste de aluminio mide 33 m de altura. a esta diferencia de temperatura. a) ¿Cuál será la presión cuando el termómetro mida una temperatura de 300 K ? b) ¿A qué temperatura de gas ideal corresponde una presión de 68 mmHg ? 9) Un termómetro de gas a volumen constante se calibra en hielo seco (dióxido de carbono en evaporación en el estado sólido. El signo menos se debe a que ΔT disminuye con el tiempo si ΔT es positiva.6 Guía de Discusión Nº 5. Esto se conoce como la ley de Newton para el enfriamiento. más frios de invierno (7 C ) hasta los días calurosos del verano (42 C )? . aproximadamente. ¿cuánto se expande una regla de 6 cm en el mismo intervalo de temperatura si se fabrica con el mismo material? 13) Un hoyo circular en una placa de aluminio mide 2. Contenido: 5. es decir. a) ¿Qué valor Celsius de cero absoluto produce la calibración? b) ¿Cuál es la presión en el punto de congelación del agua? c) ¿Cuál es la presión en el punto de ebullición del agua? 10) En un termómetro de gas a volumen constante la presión en el bulbo en el punto triple del agua es de 40 mm Hg. Si la diferencia de temperatura ΔT entre un objeto y su entorno (ΔT = Tobj – Tent) no es demasiado grande. con una temperatura de −80°C) y en alcohol etílico en ebullición (78°C). Temperatura Ciclo I/2015 6) Los puntos de fusión y ebullición normal. La temperatura se aumenta de 0 C a 40 C . el primero de vidrio pyrex y el otro de plástico. teniendo una longitud de 120 m .(α = 23x10−6 /°C).2x10−6 /°C. ¿En cuanto ha aumentado su área cuando su temperatura es de 40 C ? Suponga que el vidrio puede expandirse libremente. 18) Un cable de acero ( 11 x 10 6 / C ) es usado para detener un cuerpo que cuelga según se muestra en figura. ¿En cuanto ha aumentado su área cuando su temperatura es de 40 C ? Suponga que el vidrio puede expandirse libremente. Luego el cable es enfriado a 30 C y se encoge para llegar a la posición indicada por la línea punteada. 9x 10 6 / C .182x10−3 /°C. 20) Obtener el cambio de volumen de una esfera de aluminio de 10. ambos conteniendo mercurio.0254 m de diámetro a 0 C . Encontrar la altura que sube el cuerpo cuando el cable es enfriado.47 cm3. El tanque A posee un volumen de 50 cm3 a 45 °C y el tanque B posee un volumen de 35 cm3 a la misma temperatura. se encuentra que el volumen derramado por ambos es de 0. 19) Una ventana de vidrio tiene 200 cm por 300 cm a 10 C . inicialmente el cable está a 100 C . ¿Qué cantidad de acetona se saldrá del recipiente? acetona 1. ¿Cuál es el valor de la temperatura x ? (αpirex = 3. 22) Se tienen dos tanques A y B.0 cm de radio cuando se calienta de 0 C a 100 C . αplástico = 2. 21) Un recipiente abierto de acero de 10 L de capacidad se llena de acetona. 9x 10 6 / C . ᵦHg = 0.7x10−6 /°C) . Temperatura Ciclo I/2015 16) Una placa de aluminio (α = 23x10−6 /°C) tiene un agujero circular de 0.32 10 3 / C . ¿Cuál es su diámetro cuando la temperatura de la placa se eleva a 100 C ? 17) Una ventana de vidrio tiene 200 cm por 300 cm a 10 C .7 Guía de Discusión Nº 5. Si el tanque A se calienta hasta 87 °C y el tanque B se calienta hasta una temperatura x. ᵦHg = 0. Temperatura Ciclo I/2015 23) Un cubo de latón tiene una longitud de 33.6 g cm 3 . Si el volumen V depende de la temperatura. L 19 10 6 C 1 27) Demuestre que. 30) A 100 C un frasco de vidrio está completamente lleno de 891 g de mercurio.30 m ? A 11 10 6 C 1 . a) Halle el cambio porcentual en la densidad. Un anillo de latón tiene un diámetro interior de 2. el cambio de volumen de un sólido que se expande debido a un aumento de temperatura T está dado por V 3 V0 T .2 cm de lado a 20. b) Identifique el metal. Explique el signo menos.092 % . Demuestre que el cambio de densidad con el cambio de temperatura T está dado por T donde es el coeficiente de expansión volumétrica.0x10−6 /°C. su longitud aumenta en 0. Al 23 10 6 /º C .7 g cm 3 . L 19 10 6 C 1 . Al 2. entonces también su densidad . ¿A qué temperatura común se deslizará justamente el anillo en la barra? A 11 10 6 C 1 . 26) Una barra de acero tiene 3. si despreciamos cantidades extremadamente pequeñas.000 cm de diámetro a 25 C . b) ¿Cuál sería la longitud de una barra de acero y de una barra de latón a 0 C . halle: a) El aumento en el área superficial. 28) La densidad es la masa dividida por el volumen. Si el cubo se calienta a 75°C. de modo que a todas las temperaturas su diferencia de longitud sea 0. 29) Cuando la temperatura de un cilindro de metal se eleva de 60 C a 100 C . ¿Qué tanto más se hundirá el 270 boque cuando la temperatura se eleve de a 320 K ? Hg 1.0°C.8 Guía de Discusión Nº 5. Hg 13. la altura h cambia en h T .18x10−3 /°C) 31) Un cubo de aluminio de 20 cm de lado flota en mercurio. donde es el coeficiente de expansión volumétrica del líquido. 25) Responder: a) Demuestrar que si las longitudes de dos barras de sólidos diferentes son inversamente proporcionales a sus respectivos coeficientes de dilatación lineal a la misma temperatura inicial.992 cm a 25 C . ¿Qué masa de mercurio se necesita para llenar el frasco a −35 °C? (αv = 9. Desprecie la expansión del tubo de vidrio. 19 10 6 º C 1 24) Demuestre que cuando la temperatura de un líquido en un barómetro cambia en T y la presión es constante.8 10 4 / C . . donde es el coeficiente de expansión lineal. b) El aumento en el volumen. la diferencia de longitud entre ellas será constante a todas las temperaturas. Está conectado por un tubo delgado al recipiente B con cuatro veces el volumen de A. ¿Cuál es la presión final en el sistema? . donde la temperatura es de 3. o sea 1. (ver figura). A esta elevación la temperatura del gas es de 48.01 10-13 Pa .50 km la presión atmosférica desciende a 36.15 K . 37) El recipiente A contiene un gas ideal a una presión de 5.01 105 Pa y temperatura de 0 C 273.8 El gas ideal 32) Para los siguientes literales: a) Calcule el volumen ocupado por 1. a) ¿Cuántas moléculas contiene el gas?. a la presión de 1.68 x 1019 .0 cm Hg ) y una temperatura de 22.0 C .00 atm 1.0 C .9 Guía de Discusión Nº 5. b) Si la presión llega ahora a 316 kPa y si elevamos la temperatura a 31. La burbuja se eleva a la superficie. b) Demuestre que el número de moléculas por centímetro cúbico (el número Loschmidt) en las condiciones estándar es de 2.0 10 5 Pa y a una temperatura de 400 K .00 mol de un gas ideal en condiciones estándar. y se llega al equilibrio a una presión común mientras que la temperatura de cada recipiente se mantiene constante en su valor inicial.47 m . ¿qué volumen ocupará el gas? 34) El mejor vacío que puede obtenerse en el laboratorio corresponde a una presión de unas 10−18 atm.80C . ¿Cuántas moléculas hay por centímetro cúbico en ese vacío a 22 °C? 35) Un globo meteorológico se infla libremente con helio a una presión de 3 1. B contiene el mismo gas ideal a una presión de 1.4 cm 3 de volumen está en el fondo de un lago a una profundidad de 41. Considere que la temperatura de la burbuja es la misma que la del agua circundante y halle su volumen justo antes de que alcance la superficie. A una elevación de 6.47 m 3 .0 C . es decir. Temperatura Ciclo I/2015 Contenido: 5. ¿Cuál es ahora el volumen del gas? 36) Una burbuja de aire de 19. Se abre la válvula de conexión.5 m .0 C y a una presión de 108 kPa ocupa un volumen de 2. que está a una temperatura de 22. 33) Cierta cantidad de un gas ideal a 12.0 10 5 Pa y a una temperatura de 300 K .6 C .0 cm Hg y el Helio se ha dilatado sin restricción por parte de la bolsa que lo confina.00 atm (76. El volumen del gas es de 3. a) Si la mitad del gas se extrae. Determine su volumen a 30ºC y 800 mm Hg. 48) Un tanque lleno de oxígeno contiene 12 Kg de gas a 40 atm manométricas. a 120 K y 0. El proceso es isométrico.0 º C .6 º C y su volumen aumente a 1020 pu lg 3 . a 1 atm y 293 K. 43) Un tanque de acero contiene dióxido de carbono a 32ºF y 12 atm. 42) La densidad del gas nitrógeno es 1. Halle: El número de moles de oxígeno en el sistema Su temperatura final.25 g / L en condiciones estándar. ¿qué volumen ocupará ahora el gas? Suponga que no existen fugas. El cilindro está lleno con 5 L de gas con el resorte sin estirar a 1atm y 20ºC. a) b) 39) ¿Cuántos moles contiene el gas? Si la presión se eleva ahora a 316 kPa y la temperatura se eleva a 31.080 atm de presión. 44) ¿Cuántas moléculas hay en 1 mg de benceno gaseoso (C6H6)? 45) Una masa de oxígeno ocupa 700 L a 5ºC y 760 mm Hg.47 m 3 . con un volumen de 1130 cm 3 a 42 º C y una presión de 101 kPa .0 º C y una presión de 180 kPa ocupa un volumen de 2. Calcule la presión dentro del tanque cuando es calentado a 212ºF. Una llanta de automóvil tiene un volumen de 988 pu lg 3 y contiene aire a una presión manométrica de 24. 46) Un gas ideal está en un tanque. Determine la masa de gas extraído cuando la lectura de presión es de 25 atm manométricas. Halle la presión manométrica del aire en la llanta cuando su temperatura eleve a 25. se expanden hasta que su volumen es de 1530 cm a) b) 40) 3 y su presión de 106 kPa .606 º C . ¿cuál es su nueva presión? b) Suponga ahora que su temperatura aumenta en 20 K y luego se extrae la mitad del gas isotérmicamente. ¿cuál es ahora su nueva presión? 47) Un cilindro con émbolo tiene conectado en la parte superior un resorte de 2000 N/m.2 lb / pulg 2 cuando la temperatura es de 2. Determine su densidad a 42ºC y 730 mm Hg. 41) Calcule el volumen de 24 g de éter etílico gaseoso (C4 H10 O).010 m 2 y masa despreciable ¿cuánto sube la tapa cuando la temperatura sube hasta 250 º C ? b) Calcule la presión a 250 º C . Temperatura 38) Ciclo I/2015 Una cantidad de gas ideal a 12. . y si aumenta la temperatura en su interior en 20 K.10 Guía de Discusión Nº 5. a) Si la tapa tiene una sección transversal de 0. Oxígeno gaseoso. 18 y 21 D: 12.11 Guía de Discusión Nº 5.2 Discusión de problemas. sección IV. y 10 DISCUSIÓN No 5 (Segunda Parte) UNIDAD V TEMPERATURA (5. CONTENIDOS B: 1. 36 y 38 . 2.2) SEMANA 11 TIEMPO 100 minutos ACTIVIDAD El docente inicia la actividad dando lugar a la participación de los estudiantes tal como se explica en el programa. CONTENIDOS B: 5. 5.2) SEMANA 12 TIEMPO 100 minutos ACTIVIDAD El docente inicia la actividad dando lugar a la participación de los estudiantes tal como se explica en el programa. 6. y 10 C: 16. 17.2 Discusión de problemas. y 10 D: 1. 5. 2. 6. 3 y 4 C: 1. 20.6. 18.7 a 5.8. 8. 4.1 a 5. sección IV. Temperatura Ciclo I/2015 DESARROLLO DE LA DISCUSIÓN No 5 (Primera Parte) UNIDAD V TEMPERATURA (5.