Estudie la temperatura y el calor con la lista de ejercicios sobre: ajuste de temperatura y calor, expansión y equilibrio térmico, escalas termométricas, transferencia de calor, calor latente y sensible. Hay varios ejercicios resueltos y comentados para que aprendas y resuelvas tus dudas.
Ejercicios para configurar la temperatura y el calor
Ejercicio 1
Definir y diferenciar temperatura y calor.
La temperatura es una medida del estado térmico de un cuerpo o sistema físico. Determina el grado de agitación de las partículas que componen este sistema.
La temperatura es, por tanto, una cantidad, algo que se puede medir. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de medida de la temperatura es Kelvin (K). Otras unidades comunes son Celsius (° C) y Fahrenheit (° F).
El calor es el movimiento de la energía térmica. La energía térmica se transfiere de cuerpos más energéticos, con una temperatura más alta, a cuerpos y sistemas menos energéticos, con una temperatura más baja. Esta transferencia de energía se da a través de procesos como: conducción, convección e irradiación.
Dado que el calor es una forma de energía, en el Sistema Internacional de Unidades se mide en julios (J). Otra medida común de calor son las calorías (lima).
La principal diferencia entre temperatura y calor es que la temperatura es una medida del estado térmico, mientras que el calor es la transferencia de energía térmica entre cuerpos.
Ejercicio 2
Defina qué es el equilibrio térmico.
El equilibrio térmico es el estado en el que diferentes cuerpos en un mismo entorno se encuentran a la misma temperatura, es decir, tienen el mismo estado térmico.
Dado que el calor es la transferencia de energía térmica de los cuerpos más calientes a los más fríos, los cuerpos que antes estaban más calientes se enfrían a medida que emiten calor. Por otro lado, los cuerpos que reciben este calor, que antes estaban más fríos, se calientan.
Esta variación de temperatura cesa cuando no hay más calor entre los cuerpos, lo que significa que no hay más transferencia de energía térmica entre ellos. En este estado, sus temperaturas son las mismas.
Ejercicio 3
Explique el siguiente fenómeno:
Laura se acaba de despertar y se ha levantado de la cama en un frío día de invierno. Después de levantarse de su cálida cama, toca con los pies el piso alfombrado de su dormitorio y se siente cómoda, incluso descalza. Cuando entras en la cocina, tus pies descalzos sienten una sensación de frío al tocar el suelo de baldosas.
Todo el ambiente de la casa estuvo expuesto a las mismas condiciones de temperatura durante toda la noche. ¿Por qué Laura siente sensaciones diferentes al caminar descalza en el dormitorio y en la cocina?
Las sensaciones de frío y calor están relacionadas con varios factores, algunos incluso subjetivos. Diferentes personas pueden sentir y percibir la misma temperatura de diferentes maneras. Sin embargo, en el texto, una misma persona tiene diferentes sensaciones en un entorno que se supone que está en equilibrio térmico, es decir, donde los cuerpos están a la misma temperatura.
La única diferencia es el material con el que entra en contacto. El coeficiente de conductividad térmica es una propiedad de los materiales e indica la facilidad con la que se transfiere la energía térmica. Cuanto mayor sea el valor de conductividad térmica, más fácil será la transferencia de energía térmica.
Como los suelos de cerámica tienen una mayor conductividad térmica que las alfombras de lana o algodón, el cuerpo de Laura pierde mucho. más energía al caminar por la cocina que al caminar sobre la alfombra, lo que la hace interpretar que el piso es más frío.
Ejercicios de equilibrio térmico
Ejercicio 4
(IFF 2016) En la actividad de laboratorio, el profesor de Física propone que los alumnos mezclen 1L de agua a una temperatura de 100 ° C con 500 mL de agua a 4 ° C. Sin embargo, antes de mezclar y medir la temperatura de equilibrio térmico, los estudiantes deben calcular la temperatura de equilibrio térmico. Considere pérdidas térmicas insignificantes y que el resultado teórico es igual al valor experimental. Se puede decir que esta temperatura de equilibrio es válida:
a) 68 ° C.
b) 74 ° C.
c) 80 ° C.
d) 32 ° C.
e) 52 ° C.
Respuesta correcta: a) 68 ° C.
Objetivo: determinar la temperatura de equilibrio térmico ().
Datos:
1L = 1000 ml de agua a 100 ° C;
500 ml de agua a 4 ° C
Modelo físico y matemático
En equilibrio térmico no hay más transferencia de energía térmica, por lo que la suma de los calores de las porciones de agua a 100 ° C y 4 ° C es igual a cero.
Dado que en ambos lados de la ecuación el calor específico es el mismo, podemos cancelarlos.
Por tanto, la temperatura de equilibrio será de 68 ° C.
Ejercicios sobre escalas termométricas
Ejercicios 5
(SENAC - SP 2013) La llegada del hombre a la luna ocurrió en 1969. La estructura de la luna es rocosa y prácticamente no tiene atmósfera, lo que significa que durante el día la temperatura alcanza los 105 ° C y por la noche desciende hasta los −155 ° C.
Esta variación térmica, medida en la escala de temperatura Fahrenheit, es válida
a) 50.
b) 90.
c) 292.
d) 468.
e) 472.
Respuesta correcta: d) 468.
La relación entre la escala Celsius ° C y la escala ° F viene dada por:
Donde,
es la variación de temperatura en grados Celsius y,
es la variación de Fahrenheit.
La temperatura en la superficie lunar varía entre 105 ° C y por la noche -155 ° C. Por tanto, la variación total es de 260 ° C.
105 - (-155) = 260
Sustituyendo en la fórmula, tenemos:
Ejercicios 6
(UESPI 2010) Un estudiante está leyendo la novela de ciencia ficción "Fahrenheit 451" de Ray Bradbury. En cierto pasaje, uno de los personajes afirma que 451 ° F es la temperatura en la escala Fahrenheit a la que se quema el papel con el que se fabrican los libros. El estudiante sabe que, en esta escala, las temperaturas de fusión y ebullición del agua son 32 ° F y 212 ° F, respectivamente. Con razón, concluye que 451 ° F es aproximadamente equivalente a:
a) 100 ° C
b) 205 ° C
c) 233 ° C
d) 305 ° C
e) 316 ° C
Respuesta correcta: c) 233 ° C.
Las escalas Celsius y Fahrenheit están relacionadas por:
Reemplazo de 451 ° F con , tenemos:
De las opciones de respuesta, 233 ° C es la más cercana.
Ejercicios 7
(FATEC 2014) Durante una carrera de Fórmula Indy o Fórmula 1, los conductores están sujetos a un microambiente caliente en la cabina que alcanza los 50 ° C, generado por diversas fuentes de calor (del sol, motor, terreno, metabolismo cerebral, actividad muscular etc.). Esta temperatura está muy por encima de la temperatura corporal promedio tolerable, por lo que siempre deben estar en buenas condiciones físicas.
Las carreras de Fórmula Indy son más tradicionales en los EE. UU., Donde la lectura de temperatura se adopta en la escala Fahrenheit. Con base en la información presentada en el texto, es correcto afirmar que la temperatura de cabina que alcanza un automóvil de Fórmula Indy durante la carrera, en grados Fahrenheit, es
Datos:
Temperatura de derretimiento del hielo = 32 ° F;
Temperatura del agua hirviendo = 212 ° F.
a) 32.
b) 50.
c) 82.
d) 122.
e) 212.
Respuesta correcta: d) 122
Para relacionar las dos temperaturas, usamos la ecuación:
reemplazando para 50 y resolviendo para
, tenemos:
Por lo tanto, la temperatura en la cabina en Fahrenheit es 122 ° F.
Ejercicios sobre la propagación del calor
Ejercicio 8
(Enem 2021) En un manual de instrucciones para un frigorífico, se encuentran las siguientes recomendaciones:
• Mantenga la puerta de su refrigerador abierta solo el tiempo que sea necesario;
• Es importante no obstruir la circulación del aire con una mala distribución de los alimentos en los estantes;
• Deje un espacio de al menos 5 cm entre la parte posterior del producto (disipador de calor en forma de serpentina) y la pared.
Con base en los principios de la termodinámica, las justificaciones de estas recomendaciones son, respectivamente:
a) Reducir la salida de frío del frigorífico al medio ambiente, asegurar la transmisión del frío entre los alimentos del estante y permitir el intercambio de calor entre el disipador de calor y el medio ambiente.
b) Reducir la salida de frío del frigorífico al ambiente, garantizar la convección del aire interno, garantizar el aislamiento térmico entre las partes internas y externas.
c) Reducir el flujo de calor del ambiente al interior del refrigerador, asegurar la convección del aire interno y permitir el intercambio de calor entre el disipador de calor y el ambiente.
d) Reducir el flujo de calor del ambiente al interior del refrigerador, asegurar la transmisión el frío entre los alimentos del estante y permiten el intercambio de calor entre el fregadero y el ambiente.
e) Reducir el flujo de calor del ambiente al interior del frigorífico, garantizar la convección del aire interior y garantizar el aislamiento térmico entre las partes internas y externas.
Respuesta correcta: c) Reducir el flujo de calor de la habitación al interior del frigorífico, asegurar la convección del aire interior y permitir el intercambio de calor entre el disipador y el ambiente.
Mantener la puerta del frigorífico cerrada, abriendo solo lo necesario, evita la entrada de calor del ambiente exterior.
En el interior del frigorífico, los intercambios de calor entre el ambiente interior frío y los alimentos producen corrientes de aire por convección. Estas corrientes son necesarias para enfriar los alimentos.
El calor que se extrae de los alimentos y se intercambia con el refrigerante del refrigerador se transporta al disipador de calor en la parte posterior. Este calor se intercambiará con el ambiente, principalmente por convección, por lo que se necesita espacio.
Ejercicio 9
(UEPB 2009) Un niño al que le gustaba el brigadeiro decidió hacer este dulce, y para eso empezó a separar los ingredientes y los utensilios. Inicialmente tomó la lata de leche condensada, el chocolate en polvo y la margarina, luego una cacerola de acero, una cuchara y un abrelatas. El niño hizo un agujero en la lata para drenar la leche condensada en la sartén. Su madre, al ver esa actitud, sugirió que el hijo hiciera otro agujero en la lata, para poder sacar ese líquido con mayor facilidad. Al poner la olla al fuego para remover el brigadeiro, el niño sintió que, a los pocos minutos, el mango de la cuchara se había calentado y se quejó: “Mamá, la cuchara me quema la mano”. Entonces, su madre le pidió que usara una cuchara de madera para evitar quemaduras.
Sobre el calentamiento de la cuchara evidenciado en la queja del niño de que le quemaba la mano, podemos decir que
a) con una cuchara de madera, que es un excelente aislante térmico, se calienta más rápido que una cuchara de acero.
b) sucede porque las partículas que componen la cuchara crean corrientes de convección, calentándola por completo, de un extremo al otro.
c) debido a la irradiación, la cuchara se calienta completamente, de un extremo al otro.
d) con una cuchara de madera, que es un excelente conductor térmico, se calienta más rápido que una cuchara de acero.
e) sucede porque las partículas que componen la cuchara comienzan a conducir el calor allí absorbido de un extremo al otro.
Respuesta correcta: e) sucede porque las partículas que componen la cuchara comienzan a conducir el calor allí absorbido de un extremo al otro.
El proceso de propagación del calor es por conducción. Solo la energía se transfiere de una partícula a su entorno. Los metales son excelentes transmisores de calor.
Ejercicio 10
(Enem 2016) En un experimento, una maestra deja dos bandejas de la misma masa, una de plástico y la otra de aluminio, sobre la mesa del laboratorio. Después de unas horas, les pide a los estudiantes que califiquen la temperatura de las dos bandejas, usando el tacto. Sus alumnos afirman categóricamente que la bandeja de aluminio está a una temperatura más baja. Intrigado, propone una segunda actividad, en la que coloca un cubito de hielo en cada una de las bandejas, que están en equilibrio térmico con el medio ambiente, y les pregunta a qué velocidad se derretirá el hielo. más grande.
El alumno que responda correctamente a la pregunta del profesor dirá que se producirá el derretimiento
a) más rápido en la bandeja de aluminio, ya que tiene una conductividad térmica más alta que el plástico.
b) más rápido en la bandeja de plástico, ya que inicialmente tiene una temperatura más alta que la de aluminio.
c) más rápido sobre la bandeja de plástico, ya que tiene una mayor capacidad térmica que la de aluminio.
d) más rápido sobre la bandeja de aluminio, ya que tiene un calor específico menor que la de plástico.
e) con la misma velocidad en ambas bandejas, ya que tendrán la misma variación de temperatura.
Respuesta correcta: a) más rápido en la bandeja de aluminio, ya que tiene una conductividad térmica más alta que la de plástico.
El hielo se derrite más rápido en la bandeja, lo que transfiere el calor a una velocidad mayor, es decir, más rápido. Como los metales tienen una mayor conductividad térmica, la bandeja de aluminio transfiere más calor al hielo y se derrite más rápido.
Ejercicio 11
(Enem 2021) En la ciudad de São Paulo, las islas de calor son responsables de cambiar la dirección del flujo de la brisa marina que debe llegar a la región de la primavera. Pero al cruzar la isla de calor, la brisa marina ahora encuentra un flujo de aire vertical, que transfiere para ella la energía térmica absorbida de las superficies calientes de la ciudad, desplazándola a lugares altos altitudes. De esta manera, hay condensación y fuertes lluvias en el centro de la ciudad, en lugar de en la región primaveral. La imagen muestra los tres subsistemas que intercambian energía en este fenómeno.
Estos mecanismos son, respectivamente,
a) irradiación y convección.
b) irradiación e irradiación.
c) conducción e irradiación.
d) convección e irradiación.
e) convección y convección.
Respuesta correcta: a) irradiación y convección.
La irradiación es el proceso de transferencia de calor entre el sol y las ciudades. En este proceso, el calor se transfiere mediante radiación electromagnética.
La convección es el proceso de transferencia de calor entre islas de calor y la brisa marina. En este proceso, el calor es transferido por un medio fluido, en este caso aire, a través de sus movimientos. En la convección, el aire caliente que se expande, se vuelve menos denso y asciende. El aire más frío a mayores altitudes, más denso, desciende creando corrientes de aire que intercambian calor.
Ejercicios sobre calor latente y calor sensible
Ejercicio 12
(Enem 2015) Las altas temperaturas de combustión y la fricción entre sus partes móviles son algunos de los factores que provocan el calentamiento de los motores de combustión interna. Para evitar el sobrecalentamiento y el consiguiente daño a estos motores, se desarrollaron los sistemas de refrigeración actuales, en los que un fluido El enfriador con propiedades especiales circula por el interior del motor, absorbiendo el calor que, al pasar por el radiador, se transfiere al atmósfera.
¿Qué propiedad debe tener el refrigerante para cumplir su propósito de la manera más eficiente?
a) Calor específico elevado.
b) Alto calor latente de fusión.
c) Baja conductividad térmica.
d) Baja temperatura de ebullición.
e) Alto coeficiente de dilatación térmica.
Respuesta correcta: a) Calor específico alto.
El calor específico es una propiedad del material, en este caso, el refrigerante. Indica la cantidad de calor que necesita recibir o regalar por una unidad de masa, para variar una unidad de temperatura.
En otras palabras, cuanto mayor es el calor específico, más calor puede recibir sin aumentar demasiado su temperatura. Las sustancias con alto calor específico tienen menos sensibilidad a los cambios de temperatura.
De esta manera, el refrigerante con alto calor específico puede "recolectar" una mayor cantidad de energía térmica del motor sin hervir.
Ejercicio 13
(FATEC 2014) En una clase de la disciplina de Física en el curso de Soldadura de la Fatec, el profesor responsable retoma con los alumnos un tema que habían visto en el bachillerato. Explica cómo realizar el análisis de un gráfico de cambio de estado de una sustancia pura hipotética dada. Para ello, solo necesitamos evaluar las cantidades físicas representadas en los ejes y la gráfica formada por la relación entre estas cantidades. En este gráfico, la sección que presenta una inclinación indica un cambio de temperatura por absorción de energía, y la que presenta una meseta (sección horizontal) indica un cambio de estado por absorción de energía.
Después de esta explicación, pregunta a los estudiantes cuál fue la cantidad total de energía absorbida por el sustancia entre el final del cambio de estado para el líquido, hasta el final del cambio de estado para el gaseoso.
La respuesta correcta a esta pregunta, en calorías, es
a) 2000.
b) 4000.
c) 6.000.
d) 10000.
e) 14 000.
Respuesta correcta: d) 10000.
Este cambio se produce entre 4000 y 14000 calorías. La sustancia está completamente en estado líquido cuando la rampa comienza después de la primera meseta. La transformación de fase líquida a gaseosa tiene lugar en la segunda meseta.
Ejercicios de dilatación térmica
Ejercicio 14
(URCA 2012) El radio de la base de un cono metálico, cuya densidad es igual a 10 g / cm3, tiene a 0 ° C una longitud inicial Ro = 2 cm. Al calentar este cono hasta una temperatura de 100 ° C, su altura varía Δh = 0.015 cm. Con una masa de cono de 100 g, el coeficiente de expansión lineal medio del material es:
Respuesta correcta:
Objetivo: determinar el coeficiente de expansión lineal ().
Datos = 0,015 cm
Radio inicial, = 2 cm = 100 ° C
masa, m = 100 g
densidad, d = 10 g / cm3
Modelo matemático y físico de expansión térmica lineal.
Donde, es el coeficiente de expansión lineal.
es la variación de altura.
es la altura inicial.
es la variación de temperatura.
Aislar ,
y
Se proporcionan. De esta manera, para determinar
, es necesario determinar
.
Para determinar usemos las proporciones de volumen y densidad.
volumen del cono
Densidad
Aislando V,
Sustituyendo el valor de V y r en la ecuación de volumen y haciendo = 3,
Ahora podemos reemplazar en la ecuación del coeficiente de expansión térmica,
convirtiéndose en notación científica
0,0006 =
aprender más acerca de
- calor y temperatura.
- propagación de calor
- calor sensible
- Calor especifico
- Energía térmica
- Expansión térmica
- Capacidad Térmica
- conduccion termica
- Convección térmica
- Irradiación Térmica
