Guía Unidad 4 – Termodinámica
Guía Unidad 4

Termodinámica

4.2. Calor específico, calorimetría y transferencia de energía

Introducción

La comprensión de conceptos fundamentales en termodinámica como el calor específico, la calorimetría y la transferencia de energía es esencial para abordar una amplia gama de problemas en física y aplicaciones prácticas. Esta guía de ejercicios está diseñada para fortalecer tu comprensión de estos temas mediante una serie de problemas cuidadosamente seleccionados que cubren tanto los principios teóricos como su aplicación práctica.

Los ejercicios se dividen en tres secciones principales: calor específico, calorimetría y transferencia de energía. En la sección de calor específico, explorarás cómo calcular la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una sustancia dada. La sección de calorimetría te desafiará a aplicar tus conocimientos sobre la medición precisa del calor absorbido o liberado durante reacciones químicas o cambios físicos. Por último, en la sección de transferencia de energía, investigarás los diferentes mecanismos de transferencia de energía, como la conducción, la convección y la radiación, así como su relación con la primera ley de la termodinámica.

Ejercicios Propuestos

1.
Un trozo de aluminio de $0,5\text{ kg}$ se calienta con $2500\text{ J}$ de energía. Si la temperatura inicial del aluminio es de $20^{\circ}C$ y su calor específico es de $900\text{ J/kg}^{\circ}\text{C}$, ¿cuál será su temperatura final?
2.
¿Cuánto calor se necesita para elevar la temperatura de $2\text{ kg}$ de agua en $15^{\circ}C$? (Calor específico del agua: $4186\text{ J/kg}^{\circ}\text{C}$).
3.
Un trozo de plomo de $0,3\text{ kg}$ se enfría desde $150^{\circ}C$ hasta $50^{\circ}C$ liberando $7500\text{ J}$ de energía. ¿Cuál es el calor específico del plomo?
4.
Si se agregan $1500\text{ J}$ de energía a $0,2\text{ kg}$ de cobre, y la temperatura aumenta en $10^{\circ}C$, ¿cuál es el calor específico del cobre?
5.
Se agregan $0,6\text{ kg}$ de aluminio a un calorímetro que contiene $0,4\text{ kg}$ de agua a $25^{\circ}C$. Si la temperatura final de la mezcla es de $35^{\circ}C$, ¿cuál es el calor específico del aluminio? (Calor específico del agua: $4186\text{ J/kg}^{\circ}\text{C}$).
6.
Si $0,3\text{ kg}$ de plomo a $100^{\circ}C$ se sumergen en $0,5\text{ kg}$ de agua a $20^{\circ}C$ en un calorímetro, y la temperatura final de la mezcla es de $30^{\circ}C$, ¿cuál es el calor específico del plomo? (Calor específico del agua: $4186\text{ J/kg}^{\circ}\text{C}$).
7.
¿Cuánto trabajo se realiza cuando $0,1\text{ kg}$ de agua se evapora a presión atmosférica? El volumen del agua cambia de $10\text{ cm}^3$ a $1670\text{ cm}^3$ durante la evaporación. (Presión atmosférica estándar: $P_0 = 101325\text{ Pa}$).
8.
Si $500\text{ J}$ de calor se transfieren a un sistema y este realiza $300\text{ J}$ de trabajo, ¿cuál es el cambio en su energía interna?
9.
Un proceso adiabático ocurre en un cilindro con un pistón móvil. Si el trabajo realizado por el gas en el pistón es de $1500\text{ J}$, ¿cuál es el cambio en la energía interna del gas?
10.
Un recipiente contiene $0,2\text{ kg}$ de agua a $90^{\circ}C$. Se agrega un trozo de hierro de $0,5\text{ kg}$ a $20^{\circ}C$ al recipiente y se alcanza una temperatura de equilibrio de $70^{\circ}C$. Si todo el proceso ocurre a presión atmosférica, ¿cuánto trabajo se realiza durante el proceso?

Ver Soluciones de la Guía

1. Temperatura final $= 20^{\circ}C + 5.56^{\circ}C = 25.56^{\circ}C$
2. $Q = 125580\text{ J}$
3. $c = 250\text{ J/kg}^{\circ}\text{C}$
4. $c = 750\text{ J/kg}^{\circ}\text{C}$
5. $c_a \approx 2.79\text{ J/kg}^{\circ}\text{C}$
6. $c_p \approx 0.150\text{ J/kg}^{\circ}\text{C}$
7. $W \approx -168.21\text{ J}$
8. $\Delta E = 200\text{ J}$
9. $\Delta E = 1500\text{ J}$
10. $W = 10363.2\text{ J}$
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