5 problemas resueltos de Calor y Temperatura

 Problemas resueltos de Calor y Temperatura

Hola a todos. En esta ocasión os dejo aquí 5 problemas resueltos de Calor y Temperatura para 1º de bachillerato. Como siempre digo, primero intenta resolver el ejercicio tu solo y después mira el resultado para ver si lo tienes bien. En caso de tenerlo mal mira donde te has equivocado e intenta entender tu fallo.

La energía térmica puede utilizarse de las siguientes maneras:

El calor es necesario para determinadas tareas. Por ejemplo, para calentar. Los motores térmicos convierten el calor en trabajo mecánico, como hace un motor de automóvil o de avión, utilizando un pistón y un cilindro que se mueven de un lado a otro dentro de una cámara sellada con combustible vaporizado en su interior que produce calor a partir de reacciones químicas durante la combustión (liberación de energía).

Una forma de calentamiento adecuada es el calentamiento de agua, conocido como calentamiento de microondas. Utilizando sistemas de microondas, las estaciones de radiofrecuencia se utilizan para calentar agua en frío que luego es vertida al exterior, donde su temperatura puede ser controlada para aumentar o reducir la temperatura del agua. Estos sistemas son eficaces y no contaminan el ambiente.

El uso del calor térmico se ha extendido ampliamente a través del mundo, ya que muchos otros procesos químicos requieren calor. El calor térmico puede ser transferido por medio de una serie de medios mecánicos, como el calentamiento de agua en una fuente de agua caliente, que se calienta con un sistema de microondas. Estos son usados en los hogares para calentar agua y otros fluidos y hacerlos más cálidos. También se utiliza para mantener la temperatura necesaria para la cocción de alimentos o el reparto del mismo.

El calentamiento por microondas es eficaz y no contaminante; pero sus principales problemas son:

Una solución a estos problemas es el uso del calor térmico a través del océano inter-estaciones. El proceso consiste simplemente en que las estaciones de transmisión de calor se encuentran en el océano, y no deben tener que recibir agua fría para su funcionamiento.

Para aumentar la capacidad del calor térmico, se puede utilizar una serie de medios mecánicos para transferir calor a una fuente de agua por medio de un sistema de microondas. Este proceso se ha utilizado en las estaciones marinas, como el Centro Internacional para el Control del Calentamiento Global (ICCCG) en the Bahamas.

Cuando un gas se calienta a una temperatura constante, la energía cinética media de las partículas que lo componen aumenta. Al mismo tiempo, aumenta la presión sobre las paredes del recipiente y el aire circundante. El aumento de los lugares en los que se puede aplicar o absorber la energía térmica provoca una expansión hacia arriba que proporciona cierto trabajo mecánico que puede dar lugar a máquinas de calentamiento o enfriamiento.

Ejemplo de una máquina de calentamiento y enfriamiento:

La mayoría de los paneles solares usan un panel solar que se alimenta con corriente eléctrica. El ciclo del panel solar es similar al del motor de calefacción o eléctrico. El ciclo de la corriente eléctrica empieza con la generación (transformación) de energía eléctrica, que puede ser producida a partir de fuentes alternativas (como el Sol) o a partir del consumo humano (como la electricidad). Cuando se producen grandes cantidades de energía, ésta es transferida por conductores conductores hacia los equipos que están en funcionamiento. Los equipos en funcionamiento pueden ser motores, generadores eléctricos, etc. La corriente que llega a los equipos es transferida por conductores hacia el transformador. Los transformadores, en su mayoría, son de tipo torre de acero para reducir la tensión y la corriente. Los equipos en funcionamiento deben tener una tensión de alimentación adecuada para que sus componentes sean capaces de funcionar correctamente con una corriente apropiada. El ciclo continúa con la transmisión de la corriente a través del conductor y el circuito hasta los equipos que están en uso. El ciclo final es la energía consumida (el consumo humano o las fuentes alternativas) y la energía producida (el consumo eléctrico). El ciclo de carga y descarga es el mismo que se emplea para los transformadores, excepto que en este caso la corriente es a través de un conductor. Estos equipos son los generadores y los transformadores. La mayoría de las instalaciones de generación eléctrica tienen dos tipos principales:

Para proporcionar energía suficiente al sistema eléctrico, las instalaciones que no tienen una fuente alternativa de energía (como las fuentes fósiles) deben disponer de una fuente adicional para la producción. En general estas instalaciones utilizan motores para transformar electricidad en energía mecánica, por lo que se conoce como generación mecánica. Esta energía puede ser enviada a los ciclos de carga y descarga para proporcionar electricidad al sistema eléctrico.

Algunas instalaciones tienen dos o más motores para operar en forma simultánea o secundaria. Por ejemplo, una central nuclear puede tener un reactor principal para producir electricidad a través del proceso de combustión nuclear y un motor secundario que utiliza la energía para operar las turbinas de generación. Otra instalación puede tener dos motores para el mismo propósito. Algunos motores también pueden ser utilizados para operar a baterías, generando electricidad por medio de una fuente alternativa de energía y enviándola al sistema eléctrico. Estos motores se conocen como "generadores de baterías".

Los motores son equipos que generan energía mecánica mediante la rotación del rotor dentro del cilindro o pistón, con el cual se genera un impulso electromagnético. El motor es un dispositivo electrónico que transforma la energía mecánica en electricidad y, al mismo tiempo, gira en sentido contrario a las corrientes de onda electromagnética.

Lista de problemas resueltos de calor y temperatura bachillerato

EJERICIO 1

Un recipiente de cobre, que tiene una masa de 500 g, contiene 150 g de agua a . Se sumerge en el agua una esfera de plata de 250 g a . Calcula la temperatura del equilibrio térmico.

Calores específicos  :  ;  ;  .

SOLUCIÓN:

El calor que cederá la plata, por tener mayor temperatura, será absorbido por el agua y el cobre que contiene el agua. Ahí está la clave del problema:



Estos calores debes suponer que son de calentamiento y enfriamiento, es decir, que no se va a producir cambio de estado alguno.



Sustituyes y haces los cálculos para poder escribir la ecuación de manera más simple:





Reordenas, agrupas y despejas para calcular el valor de la temperatura:

EJERCICIO 2

En un recipiente cuya capacidad calorífica es de  se tienen 20 g de agua a . ¿Qué cantidad de calor se requiere para lograr hervir el agua?

SOLUCIÓN:

Para hervir el agua será necesario un calor igual a la suma de los calores del calentamiento del agua, del recipiente y del cambio de estado del agua:



Si escribes la ecuación en función de los datos necesarios, teniendo en cuenta que el agua hierve a los  , obtienes:



Sustituyes y calculas el calor pedido:

EJERCICIO 3

A 100 g de agua cuya temperatura es de  se agregan 50 g de agua a . A la mezcla anterior se le agregan 75 g de agua a  y 375 g de agua a  y una masa M de agua para obtener un litro de agua a . ¿Cuál es la temperatura inicial de la masa M de agua?

SOLUCIÓN:

La La ecuación que puedes usar para hacer la primera parte del ejercicio, dado que siempre se trata de agua, es:



Sustituyes los datos dados en el enunciado:



Cuidado porque se agregan otros 75 g agua a  . En la segunda parte del ejercicio conoces la temperatura de equilibrio, con lo que la resolución es distinta. El calor que cede la masa M de agua es igual al calor que absorbe el resto del agua:



Solo tienes que desarrollar y despejar el valor de la temperatura:

EJERCICIO 4

Calcula la entalpía molar de la reacción de combustión del propano sabiendo que, al quemarse completamente 50 g de propano, el calor liberado hace que aumente la temperatura de 10 kg de agua desde  hasta  .

Datos:  ; C = 12 ; H = 1.

SOLUCIÓN:

El calor que absorben los 10 kg de agua es igual al calor que liberan los 50 g de propano, es decir, al calor de combustión:



La entalpía molar es referida a un mol de propano, con lo que solo te queda calcular este calor para un mol de propano, que equivale a 44 g (la masa molar del  :

EJERCICIO 5

En un vaso de cobre, cuya masa es de 1.5 kg, que contiene un bloque de hielo de 10 kg a la temperatura de , se inyectan 5 kg de vapor de agua a . Determina el estado de la mezcla.

Datos:  ;  ;  ; 

SOLUCIÓN:

El planteamiento inicial para este problema puede ser suponer que todo el hielo se funde, con lo que deberías calcular la temperatura final del sistema, o suponer que solo una parte del hielo se funde, con lo que la temperatura final del sistema es , y debes calcular qué masa de hielo se ha fundido.
Si miras el valor del calor latente de fusión del hielo, puedes ver que es muy superior a los demás, con lo que el planteamiento inicial más acertado es este último.
El calor que cede el vapor de agua para enfriarse hasta los  es:



El calor necesario para que el sistema formado por el vaso de cobre y el hielo alcance los  es:





Como puedes ver, el calor que cede el vapor es MAYOR que el calor que absorbe el hielo del vaso, por lo que parte del hielo se fundirá. El calor disponible para fundir el hielo es la diferencia entre los calores calculados:



La masa de hielo que se funde la puedes calcular a partir del calor del cambio de estado:

Esto quiere decir que solo se han fundido 56.2 g de hielo.