Fisica General Burbano

334 EL CALOR Y SUS EFECTOS
Los gases y líquidos desprenden calor al disolverse; hay sólidos que se disuelven con desprendimiento
de calor (sosa o potasa en agua) y otros que lo hacen con absorción de calor (sal común
en agua).
Se aprovecha el fenómeno de la absorción de calor para producir enfriamiento. A las mezclas
destinadas a este fin se les llama MEZCLAS FROGORÍFICAS. La temperatura mínima que se puede obtener
con la mezcla de hielo y sal es –22 ºC (TEMPERATURA EUTÉCTICA).
PROBLEMAS: 41al 48.
PROBLEMAS
A) CALORIMETRÍA. CAMBIOS DE ESTADO O DE FASE.
HIGROMETRÍA
1. Calcular la temperatura final de una mezcla de 10 y 80 l de agua
cuyas temperaturas respectivas son 70 °C y 20 °C.
2. En un calorímetro cuyo equivalente en agua es despreciable
que contiene 440 g de agua a 9 °C se introduce un trozo de hierro de
masa 50 g a la temperatura de 90 °C; la temperatura del equilibrio es
10 °C. Calcular el calor específico del hierro. Calor específico del agua:
4 180 J/kg · K.
3. En un vaso calorimétrico de cobre, cuya masa es 40 g, se ponen
380 g de alcohol; el conjunto está a una temperatura de 8 °C. Se introduce
en el alcohol un trozo de cobre de 122 g a la temperatura de
50 °C. La temperatura de equilibrio es 10 °C. Calcular el calor específico
del alcohol. Suponemos que no hay pérdida de calor. Calor específicio
del cobre: 0,095 cal/g · °C.
4. En un depósito se tiene 1 m 3 de agua a 5 °C; se dispone de agua
a 65 °C que sale por un grifo a razón de 100 cm 3 /s. Calcular el tiempo
que debe etar abierto el grifo para que la temperatura de la mezcla sea
de 35 °C, despreciando toda influencia del medio exterior. Calor específico
del agua: 1 cal/g · K.
5. En un calorímetro que contiene un termómetro y un agitador, introducimos
m 1
= 100 g de agua; agitamos durante un tiempo, y el
termómetro marca t 1
= 17,20 °C; entonces se introducen m 2
= 300 g
de agua a t 2
= 26,32 °C; agitamos nuevamente alcanzando la temperatura
t 3
= 22,80 °C en el nuevo equilibrio. Si suponemos nulas las pérdidas
de calor, calcular el equivalente en agua del calorímetro, el termómetro
y el agitador.
6. Cien gramos de una aleación de oro y cobre, a la temperatura
de 75,5 °C, se introducen en un calorímetro, cuyo equivalente en agua
es despreciable, con 502 g de agua a 25 °C; la temperatura del equilibrio
térmico es de 25,5 °C. Calcular la composición de la aleación. Calor
específico del oro: 0,031 cal/g · °C. Calor específico del cobre:
0,095 cal/g · °C. Calor específico del agua: 1 cal/g · K.
7. Por una tubería calentada en su punto medio con una llama invariable
fluye agua a razón de 50 l por min. La temperatura de entrada
es de 20 °C y la de salida de 35 °C. Otro líquido, de densidad
800 kg/m 3 , circula a continuación por el mismo tubo calentado por la
misma llama, pero con un caudal de 15 l por min. Las temperaturas en
los dos extremos se estacionan ahora en 18 °C y 68 °C. El calor específico
del agua es: 4 180 J/kg · K. Calcular con estos datos: 1) El calor específico
del líquido. 2) El calor total absorbido por el líquido y el agua si
el tiempo de circulación de cada uno de ellos fue de 1 h, admitiendo
que no existen pérdidas de calor.
8. Calcular la variación de presión que experimentan 100 l de oxígeno
(c v
= 5 cal/mol · K) cuando se calientan a volumen constante comunicándoles
3 000 cal. Inicialmente el oxígeno se encuentra a 25 °C y
70 mm de Hg de presión.
9. Comunicamos 5 × 10 5 calorías a un recinto de 1 m 3 de volumen,
que se mantiene constante, y que contiene un gas ideal monoatómico
(c v
= 3 cal/mol · K) a 6 atm de presión y 30 °C de temperatura. Determinar
la presión final de dicho gas.
10. Determinar la cantidad de calor necesaria para triplicar a presión
constante un volumen de 1 m 3 de un gas perfecto biatómico
(c p
= 7 cal/mol · K) que se encuentra a 20 °C y a la presión constante de
2 atm.
11. En un platillo de una balanza se coloca una tara invariable y en
el otro se van colocando sucesivamente los objetos y pesas necesarios
para establecer el equilibrio. a) Un calorímetro cuyo equivalente en
agua son 8 g y pesas por valor de 390 g. b) El mismo calorímetro con
cierta cantidad de agua a 32 °C y pesas por valor de 128 g. c) El mismo
calorímetro con el agua que tenía y un bloque de hielo a 0 °C y pesas
por valor de 118 g. Cuando el hielo se ha fundido la temperatura del
agua ha descendido a 28 °C. Deducir de estos datos el calor de fusión
del hielo. Calor específico del agua: 4 180 J/g · K.
12. Mezclamos 1 kg de agua a 95 °C con 1 kg de hielo a –5 °C.
¿Dispondremos de suficiente calor para fundir todo el hielo? Si es así,
¿a qué temperatura queda la mezcla? Calor específico del hielo:
0,5 cal/g · °C. Calor de fusión del hielo: 80 cal/g. Calor específico del
agua: 1 cal/g °C.
13. Mezclamos 1 kg de agua a 50 °C con 1 kg de hielo a –20 °C.
¿Disponemos de suficiente calor para fundir todo el hielo? En caso contrario,
¿qué masa de hielo queda sin fundir? Calor específico del hielo:
2 090 J/kg · K. Calor de fusión del hielo: 334,4 × 10 3 J/kg. Calor específico
del agua: 4 180 J/kg · K.
14. En un recinto térmicamente aislado hay un litro de agua a
12 °C. En ella se introducen 150 g de cobre a 200 °C. ¿Qué cantidad de
hielo fundente habrá que añadir para que, una vez fundido, la temperatura
final sea de 0 °C? ¿Qué temperatura se alcanzará si se añaden
100 g de hielo fundente? ¿Qué sucederá si se añaden 200 g de hielo
fundente? Calor específico del cobre: 397 J/kg · K. Calor de fusión del
hielo: 334,4 kJ/kg. Calor específico del agua: 4 180 J/kg · K.
15. En un vaso Dewar que contiene 300 g de un líquido a 25 °C se
introducen 150 g de hielo a –6 °C. 1) ¿Se fundirá todo el hielo suponiendo
que el vaso está bien aislado? 2) Si no se funde totalmente,
¿qué masa de hielo subsistirá una vez alcanzado el equilibrio? 3) ¿A qué
temperatura debería estar inicialmente el líquido para que se fundiera
justamente el hielo y todo el sistema quedara a 0 °C? DATOS: Calor específico
del líquido: 0,950 cal/g · °C. Equivalente en agua del vaso Dewar
= 30 g. Calor específico del hielo: 0,5 cal/g · °C. Calor específico
del agua: 1 cal/g · °C.
16. En un calorímetro, cuyo equivalente en agua es despreciable,
hay 1 kg de hielo a –10 °C. ¿Cuántos gramos de agua a 80 °C hay que
introducir en él para que la temperatura final sea de 10 °C? Si en lugar
de agua de 80 °C se introduce vapor de agua a 100 °C, ¿cuántos gramos
de éste habría que introducir para que la temperatura final sea de
40 °C?, ¿qué volumen ocupa el vapor de agua introducido si la presión
a que se mide es de 700 mm de mercurio? Masa molecular del agua:
18 g/mol. Calor específico del hielo: 2 090 J/kg · K. Calor de fusión del
hielo: 334,4 × 10 3 J/kg. Calor específico del agua: 4 180 J/kg · K. Calor
de licuefacción del vapor de agua: 2 257 × 10 3 J/kg.
17. Se mezclan en un calorímetro (equivalente en agua = 10 g)
100 g de hielo a –10 °C con 200 g de agua a 80 °C. Determinar: 1) La
temperatura final de la mezcla. 2) Cantidad de vapor de agua a 100 °C
que habría que introducir para que la temperatura final fuese de 90 °C.
DATOS: Calor específico del hielo: 0,5 cal/g °C. Calor de fusión del hielo:
80 cal/g. Calor de licuefacción del vapor de agua: 540 cal/g. Calor
específico del agua: 1 cal/g · °C.
18. En un vaso de cobre, que pesa 1,5 kg, conteniendo un bloque
de hielo de 10 kg a la temperatura de –10 °C, se inyectan 5 kg de vapor
de agua a 100 °C. Se pide la temperatura final de la mezcla. Discútase
el resultado obtenido e interprétese (calor específico del cobre:
398 J/kg · K). Se piede, además, determinar cuál sería la masa del vapor
a emplear para que la temperatura final de la mezcla fuese 100 °C.
(Tomar los datos para el H 2
O del problema anterior.)
19. En un recipiente aislado térmicamente hay 10 kg de hielo enfriado
a –10 °C. Se inyecta en el recinto 2 500 g de vapor de agua a
100 °C. Se pide: 1) La temperatura y la composición de la mezcla una
vez alcanzado el equilibrio térmico. 2) La cantidad de energía que
podría obtenerse de este sistema si se le enfriara a 0 °C. Tomar los datos
para el agua del problema 17.
20. Un recipiente de volumen 10 l contiene aire a la presión de
740 mm de mercurio y temperatura de 27 °C. Humedad relativa del
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