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Problemas 581
Figura P20.8
9. Un calorímetro de aluminio, con una masa de 100 g, contiene
250 g de agua. El calorímetro y el agua están en equilibrio
térmico a 10.0°C. Dos bloques metálicos se colocan en
el agua. Uno es un trozo de cobre de 50.0 g a 80.0°C. El otro
tiene una masa de 70.0 g y originalmente está a una temperatura
de 100°C. Todo el sistema se estabiliza a una temperatura
final de 20.0°C. a) Determine el calor específico de la muestra
desconocida. b) Con los datos de la tabla 20.1, ¿puede hacer
una identificación positiva del material desconocido? ¿Puede
identificar un material posible? Explique sus respuestas.
10. Una moneda de cobre de 3.00 g a 25.0°C cae 50.0 m al
suelo. a) Si supone que 60.0% del cambio en energía potencial
del sistema moneda–Tierra participa en el aumento de
energía interna de la moneda, determine la temperatura final
de la moneda. b) ¿Qué pasaría si? ¿El resultado depende de
la masa de la moneda? Explique.
11. Una combinación de 0.250 kg de agua a 20.0°C, 0.400 kg de
aluminio a 26.0°C y 0.100 kg de cobre a 100°C se mezcla en
un contenedor aislado y se les permite llegar a equilibrio térmico.
Ignore cualquier transferencia de energía hacia o desde
el contenedor y determine la temperatura final de la mezcla.
12. Dos recipientes térmicamente aislados se conectan mediante
un estrecho tubo ajustado con una válvula que inicialmente
está cerrada. Un recipiente, de 16.8 L de volumen, contiene
oxígeno a una temperatura de 300 K y una presión de 1.75
atm. El otro recipiente, de 22.4 L de volumen, contiene oxígeno
a una temperatura de 450 K y una presión de 2.25 atm.
Cuando la válvula se abre, los gases en los dos recipientes se
mezclan y la temperatura y la presión se vuelven uniformes en
todas sus partes. a) ¿Cuál es la temperatura final? b) ¿Cuál es
la presión final?
13. ¿Cuánta energía se requiere para cambiar un cubo de hielo de
40.0 g de hielo a 10.0°C a vapor a 110°C?
14. Un calorímetro de cobre de 50.0 g contiene 250 g de agua
a 20.0°C. ¿Cuánto vapor se debe condensar en el agua, si la
temperatura final del sistema llegará a 50.0°C?
15. Una bala de plomo de 3.00 g a 30.0°C se dispara con una rapidez
de 240 m/s en un gran bloque de hielo a 0°C, en el que
queda incrustada. ¿Qué cantidad de hielo se derrite?
16. Vapor a 100°C se agrega a hielo a 0°C. a) Encuentre la cantidad
de hielo derretido y la temperatura final cuando la masa
de vapor es 10.0 g y la masa de hielo es 50.0 g. b) ¿Qué pasaría
si? Repita cuando la masa de vapor es 1.00 g y la masa de hielo
es 50.0 g.
17. Un bloque de cobre de 1.00 kg a 20.0°C se deja caer en un
gran recipiente de nitrógeno líquido a 77.3 K. ¿Cuántos kilogramos
de nitrógeno hierven para cuando el cobre alcanza
77.3 K? (El calor específico del cobre es 0.092 0 cal/g °C. El
calor latente de vaporización del nitrógeno es 48.0 cal/g.)
18. Un automóvil tiene una masa de 1 500 kg y sus frenos de
aluminio tienen una masa global de 6.00 kg. a) Suponga que
toda la energía mecánica que desaparece cuando el auto se
detiene se deposita en los frenos y no se transfiere energía
afuera de los frenos por calor. Los frenos originalmente están
a 20.0°C. ¿Cuántas veces se puede detener el automóvil desde
25.0 m/s antes de que los frenos comiencen a fundirse? b)
Identifique algunos efectos ignorados en el inciso a) que sean
importantes en una valoración más realista del calentamiento
de los frenos.
19. En un recipiente aislado 250 g de hielo a 0°C se agregan a 600
g de agua a 18.0°C. a) ¿Cuál es la temperatura final del sistema?
b) ¿Cuánto hielo permanece cuando el sistema alcanza el
equilibrio?
20. Problema de repaso. La siguiente ecuación describe un proceso
que se presenta tan rápidamente que la energía transferida
es despreciable entre el sistema y el medio ambiente por conducción,
convección o radiación:
1
2 10.012 0 kg21300 m>s2 2 1 2 10.008 00 kg21400 m>s2 2
1
2 10.020 0 kg2120 m>s2 2
10.020 0 kg21128 J>kg # °C21327.3°C 30.0°C2
m / 12.45
10 4 J>kg2
a) Escriba un problema para el que la ecuación aparecerá
en la solución. Dé los datos, describa el sistema y describa el
proceso en marcha. Considere que el problema termina con
el enunciado “Describa el estado del sistema inmediatamente
después”. b) Resuelva el problema, incluido el cálculo de la
incógnita en la ecuación y la identificación de su significado
físico.
Los problemas 4 y 27 del capítulo 7 también se pueden asignar
con esta sección.
21. Una muestra de gas ideal se expande al doble de su volumen
original de 1.00 m 3 en un proceso cuasi estático para el que
P V 2 , con 5.00 atm/m 6 , como se muestra en la figura
P20.21. ¿Cuánto trabajo se consume en el gas en expansión?
P
2 1 m 2 m 3
P aV
i
3 V
Figura P20.21
f
2 intermedio; 3 desafiante; razonamiento simbólico; razonamiento cualitativo