Ejercicios Calorimetría

1. 522 CAPÍTULO 19 Calor y la primera ley de la termodinámica
31. Un día a 22°C es cálido, mientras que el agua a 22°C en una al-
berca se siente fría. ¿Por qué?
32. En el hemisferio norte, la cantidad de calor requerida para ca-
lentar una habitación donde las ventanas dan hacia el norte es
mucho mayor que la requerida para calentar una habitación
donde las ventanas dan hacia el sur. Explique por qué.
33. La pérdida de calor ocurre a través de las ventanas mediante los
siguientes procesos: (1) ventilación alrededor de los bordes; (2) a
través del marco, particularmente si es de metal; (3) a través de
los paneles de vidrio; y (4) radiación. a) Para los primeros tres,
¿cuál es el mecanismo (o mecanismos) implicado(s): conducción,
convección o radiación? b) ¿Las cortinas gruesas reducen alguna
de estas pérdidas de calor? Explique con detalle.
34. Temprano en el día, después de que el Sol alcanza la pendiente
de una montaña, tiende a haber un suave movimiento de aire
hacia arriba. Más tarde, cuando la pendiente entra en la som-
bra, hay una suave corriente de aire descendente. Explique.
35. Una pieza de madera que se encuentra bajo los rayos del Sol
absorbe más calor que una pieza de metal brillante. Sin embar-
go, el metal se siente más caliente que la madera cuando usted
lo levanta. Explique por qué.
36. Una “manta de emergencia” es una delgada hoja de plástico
brillante (recubierta de metal). Explique cómo esta manta pue-
de ayudar a mantener caliente a una persona inmóvil.
37. Explique por qué las ciudades situadas cerca del océano tien-
den a registrar menos temperaturas extremas que las ciudades
tierra adentro en la misma latitud.
Problemas
19–1 Calor como transferencia de energía
1. (I) ¿A qué temperatura elevarán 8700 J de calor 3.0 kg de agua
que inicialmente están a 10.0°C?
2. (II) Cuando un buzo salta al océano, el agua que entra en la
brecha entre la piel del buzo y su traje forma una capa de agua
de aproximadamente 0.5 mm de grosor. Si se supone que el
área superficial total del traje que cubre al buzo es de aproxi-
madamente 1.0 m2
, y que el agua del océano entra al traje a
10°C y el buzo la calienta a la temperatura de su piel que es de
35°C, estime cuánta energía (en unidades de barras de dulce ϭ
300 kcal) se requieren para este proceso de calentamiento.
3. (II) Un persona activa promedio consume aproximadamente
2500 Cal al día. a) ¿Cuánto es esto en joules? b) ¿Cuánto es es-
to en kilowatt-horas? c) Si su compañía eléctrica le cobra apro-
ximadamente $0.10 por kilowatt-hora, ¿cuánto costaría su
energía por día, si usted la comprara a la compañía eléctrica?
¿Podría alimentarse con esta cantidad de dinero al día?
4. (II) Una unidad térmica británica (Btu) es una unidad de calor
en el sistema inglés de unidades. Un Btu se define como el ca-
lor necesario para elevar 1 lb de agua en 1 F°. Demuestre que
5. (II) ¿Cuántos joules y kilocalorías se generan cuando los frenos
se usan para llevar un automóvil de 1200 kg al reposo desde
una rapidez de 95 km/h?
6. (II) Un pequeño calentador de inmersión se clasifica a 350 W.
Estime cuánto le tomará calentar un tazón de sopa (suponga
que la sopa está hecha con 250 mL de agua) de 15 a 75°C.
19–3 y 19–4 Calor específico; calorimetría
7. (I) El sistema de enfriamiento de un automóvil contiene 18 L
de agua. ¿Cuánto calor absorbe si su temperatura se eleva de 15
a 95°C?
8. (I) ¿Cuál es el calor específico de una sustancia metálica si se
necesitan 135 kJ de calor para elevar 5.1 kg del metal de 18.0 a
37.2°C?
9. (II) a) ¿Cuánta energía se requiere para llevar una olla de 1.0 L
de agua de 20 a 100°C? b) ¿Durante cuánto tiempo esta canti-
dad de energía podría activar una bombilla de 100 W?
10. (II) Muestras de cobre, aluminio y agua experimentan la misma
elevación de temperatura cuando absorben la misma cantidad
de calor. ¿Cuál es la razón de sus masas?
11. (II) ¿Cuánto tarda una cafetera eléctrica de 750 W en llevar al
hervor 0.75 L de agua inicialmente a 8.0°C? Suponga que la
parte de la olla que se calienta con el agua está hecha de 280 g
de aluminio, y que el agua no llega a consumirse.
1 Btu = 0.252 kcal = 1056 J.
12. (II) Una herradura de hierro caliente (masa ϭ 0.40 kg), recién
forjada (figura 19-28), se deja caer en 1.05 L de agua en una olla
de hierro de 0.30 kg
inicialmente a 20.0°C.
Si la temperatura de
equilibrio final es de
25.0°C, estime la tem-
peratura inicial de la
herradura caliente.
FIGURA 19–28
Problema 12.
13. (II) Un termómetro de vidrio de 31.5 g indica 23.6°C antes de
colocarlo en 135 mL de agua. Cuando el agua y el termómetro
llegan al equilibrio, el termómetro indica 39.2°C. ¿Cuál era la
temperatura original del agua? [Sugerencia: Ignore la masa de
fluido dentro del termómetro de vidrio].
14. (II) Estime el contenido calórico de 65 g de dulce a partir de las
siguientes mediciones. Una muestra de 15 g del dulce se coloca
en un pequeño contenedor de aluminio de 0.325 kg de masa lle-
no con oxígeno. El contenedor se coloca en 2.00 kg de agua en
el vaso de un calorímetro de aluminio de 0.624 kg de masa a
una temperatura inicial de 15.0°C. La mezcla oxígeno-dulce en
el pequeño contenedor se “enciende”, y la temperatura final de
todo el sistema es 53.5°C.
15. (II) Cuando una pieza de hierro de 290 g a 180°C se coloca en
el vaso de un calorímetro de aluminio de 95 g que contiene 250
g de glicerina a 10°C, se observa que la temperatura final es de
38°C. Estime el calor específico de la glicerina.
16. (II) La capacidad calorífica, C, de un objeto se define como la canti-
dad de calor necesaria para elevar su temperatura en 1 C°. Por ende,
para elevar la temperatura en ⌬T se requiere un calor Q dado por
a) Escriba la capacidad calorífica C en términos del calor espe-
cífico, c, del material. b) ¿Cuál es la capacidad calorífica de 1.0
kg del agua? c) ¿De 35 kg de agua?
17. (II) La cabeza de un martillo de 1.20 kg tiene una rapidez de 7.5
m/s justo antes de golpear un clavo (figura 19-29) y se lleva al re-
poso. Estime el aumento de temperatura de un
clavo de hierro de 14 g generado por
10 de tales golpes de martillo
efectuados en rápida suce-
sión. Suponga que el clavo
absorbe toda la energía.
Q = C ¢T.
FIGURA 19–29
Problema 17.