![17.48 Una bandeja para hacer hielo con masa despreciable contiene 0.35 kg de
agua a 18oC. ¿Cuánto calor debe extraerse para enfriar el agua a 0oC y
congelarla?
17.49 ¿Cuánto calor se requiere para convertir 20 g de hielo a -10oC en vapor a
100oC?
kcalJ
kgJkgkgKJkg
mLTmcQ f
2.341043.1
)/10334)(35.0()180)(/4190)(35.0(
5
3
=−=
−+−=
+∆=
kcalJ
kgJCkgKJkgJCkgKJkg
mLTmcmLTmcQ
oo
vaguaaguafhielohielo
69.81064.3
]/1026.2)100)(/4190(/10334)10)(/2100)[(1020(
4
633
==
+++=
=+∆++∆=
−](https://image.slidesharecdn.com/clase14octubrefis2-160713191838/85/Clase14octubre-fis2-10-320.jpg)
Clase14octubre fis2
- 1. Una geóloga en el campo bebe su café de una taza de aluminio. La taza tiene una masa de 0.12 kg e inicialmente está a 20oC cuando se vierte en ella 0.3 kg de café que inicialmente estaba a 70oC. ¿En qué temperatura final alcanzan la taza y el café equilibrio térmico? (suponga que el calor específico del café es el mismo del agua y que no hay intercambio de calor con el entorno). )70)(/4190)(3.0( 0 CTkgKJkgTcmQ caféaguacafécafé −=∆= El calor negativo ganado por el café es: El calor positivo ganado por la taza es: )20)(/910)(12.0( 0 CTkgKJkgTcmQ AlAlAlAl −=∆= CT kgKJkgkgKJkg TkgKJkgTkgKJkg CTkgKJkgCTkgKJkg QQ o oo Alcafé 66 2.1366 90174 )20)(/910)(12.0()70)(/4190)(3.0( )/910)(12.0()/4190)(3.0( )20)(/910)(12.0()70)(/4190)(3.0( 0 == + =+ −−=− =+
- 2. CAMBIOS DE FASE Usamos el término fase para describir un estado específico de la materia, como: sólido, líquido o gas. Una transición de fase a otra es un cambio de fase. Para una presión dada, los cambios de fase se dan a una temperatura definida, generalmente acompañada por absorción o emisión del calor y un cambio de volumen y densidad. Fusión del hielo Si agregamos calor a hielo a 0oC y presión atmosférica normal, la temperatura del hielo NO aumenta. En vez de ello, parte de él se funde para formar agua líquida. El efecto de agregar calor a este sistema no es elevar su temperatura sino cambiar su fase de sólida a líquida. Para convertir 1 kg de hielo a 0oC y presión atmosférica normal, necesitamos 3.34 105 J de calor. El calor requerido por unidad de masa se llama calor de fusión (o calor latente de fusión), denotado con Lf.
- 3. Para fundir una masa m de material con calor de fusión Lf se requiere una cantidad de calor Q dada por: fmLQ = Este proceso es reversible. Para congelar agua líquida necesitamos que quitar calor; la magnitud es la misma, pero ahora Q es negativo. En general: mLQ ±= Transferencia de calor en un cambio de fase Para un material dado, a una presión dada, la temperatura de congelación es la misma que la de fusión. En esta temperatura única, las fases líquida y sólida pueden coexistir en una condición llamada equilibrio de fases. Una cosa análoga sucede con la ebullición o evaporación, una transición de fase entre líquido y gas. El calor correspondiente (por unidad de masa) se llama calor de vaporización Lv. Para el agua a presión atmosférica normal Lv=2.256 106 J/kg
- 4. Pregunta de “cocina”: ¿por qué la pasta en la Ciudad de México no cuece bien “al dente”? La temperatura de ebullición depende de la presión atmosférica, el agua hierve a menor temperatura en un lugar de mayor altura, donde la presión atmosférica es menor.
- 5. tiempo T (oC) 0 25 50 75 100 -25 a b c d e de e en adelante: Fase gaseosa Punto de ebullición De d a e: agua en ebullición a 100oC De c a d: Fase líquida De a a b: Fase sólida De b a c: Se funde hielo a 0oC Punto de fusión A veces, una sustancia puede cambiar directamente de la fase sólida a la gaseosa: este proceso se llama sublimación (hielo seco CO2).
- 6. Las reacciones químicas, como la combustión, son análogas a los cambios de fase en cuanto a que implican cantidades definidas de calor. La combustión total de un gramo de gasolina produce unos 46000 J (11000 cal), así que el calor de combustión de gasolina es Lc=46000 J/g=4.6 107 J/kg Los valores energéticos de los alimentos de definen en forma similar. La unidad de energía de alimentos, aunque llamada caloría, es una kilocaloría (1000 cal =4196 J).
- 7. Una estudiante de física desea enfriar 0.25 kg de Diet Omni-Cola (casi agua pura), que está a 25oC, agregándole hielo que está a -20oC. ¿Cuánto hielo debe agregar para que la temperatura final sea 0oC con todo el hielo derretido, si puede despreciarse la capacidad calorífica del recipiente? La Omni-Cola pierde calor, la cantidad de calor Qcola es negativa: JCCkgKJkgTcmQ oo colaaguacolacola 26000)250)(/4190)(25.0( −=−=∆= El calor específico del hielo es 2.1 103 J/kg K. Sea la masa de hielo mhielo. El calor para calentarlo de -20oC a OoC es: )/102.4( ))20(0)(/101.2( 4 3 1 kgJm CCkgKJmTcmQ hielo oo hielohielohielohielo = =−−=∆= El calor adicional necesario para fundir esta masa de hielo es: )/1034.3( 5 2 kgJmLmQ hielofhielo ==
- 8. La suma de las tres cantidades debe ser cero: gkg kgJ J m kgJkgJm kJmkgJmJ QQQ hielo hielo hielohielo cola 69069.0 /376000 26000 26000)/334000/42000( 0)/334000()/42000(26000 021 === =+ =++− =++
- 9. 17.45 Un trozo de 500 g de un metal desconocido, que ha estado en agua hirviente durante varios minutos, se deja caer rápidamente en un vaso de espuma de poliestireno aislante que contiene 1 kg de agua a temperatura ambiente (20oC). Después de esperar y agitar suavemente durante 5 minutos, se observa que la temperatura del agua ha alcanzado un valor constante de 22oC. a) Suponiendo que el vaso absorbe una cantidad despreciable de calor y que no se pierde calor al entorno, ¿qué calor específico tiene el metal? b) ¿Qué es más útil para almacenar calor, este metal o un peso igual de agua? kgK J Ckg CkgKJkg c CckgCkgKJkg TcmTcm QQa o o metal o metal o metalmetalmetalaguaaguaagua metalagua 215 )78)(5.0( )2)(/4190)(1( 0)78()5.0()2)(/4190)(1( 0 0) == =−+ =∆+∆ =+ b) El agua, porque tiene un calor específico más grande
- 10. 17.48 Una bandeja para hacer hielo con masa despreciable contiene 0.35 kg de agua a 18oC. ¿Cuánto calor debe extraerse para enfriar el agua a 0oC y congelarla? 17.49 ¿Cuánto calor se requiere para convertir 20 g de hielo a -10oC en vapor a 100oC? kcalJ kgJkgkgKJkg mLTmcQ f 2.341043.1 )/10334)(35.0()180)(/4190)(35.0( 5 3 =−= −+−= +∆= kcalJ kgJCkgKJkgJCkgKJkg mLTmcmLTmcQ oo vaguaaguafhielohielo 69.81064.3 ]/1026.2)100)(/4190(/10334)10)(/2100)[(1020( 4 633 == +++= =+∆++∆= −
- 11. 17.61 Un lingote de plata de 4 kg se saca de un horno a 750oC y se coloca sobre un gran bloque de hielo a 0oC. Suponiendo que todo el calor cedido por la plata se usa para fundir el hielo, ¿cuánto hielo se funde? kg kgJ CkgKJkg m kgJmCkgKJkg mLTcm o o fplataplataplata 1.2 )/10334( )750)(/234)(4( 0)/10334()750)(/234)(4( 0 3 3 == =+− =+∆ cplata=234 J/kg K Lf=334 103 J/kg