Preguntas P-Preguntas de análisis -Capitulo 17-Termodinamica-Sears-Zemansky 12 PDF

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PREGUNTAS CAPITULO 17 P17.1) Explique por qué no tendría sentido utilizar un termómetro de vidrio de tamaño normal, para medir la temperatura del agua caliente contenida en un dedal. Porque la cantidad de agua que tendríamos en el dedal, sería muy poca en consideración con el termómetro a utilizar, y para que el sistema entre en equilibrio la energía adquirida por el termómetro sería muy considerable. P17.2) Si usted calienta el aire dentro de un recipiente rígido y sellado hasta que su temperatura en la escala kelvin se duplique, la presión del aire en el recipiente también se duplica. ¿También es cierto esto si se duplica la temperatura Celsius del aire en el recipiente? Explique su respuesta. Si la temperatura se duplica en grados Celsius también se duplicará la presión a dicha temperatura, debido a que la relación entre la escala kelvin y la Celsius es directamente proporcional. P17.3) Muchos motores de combustión tienen cilindros de hierro colado y pistones de aluminio ¿Qué tipos de problemas podrían presentarse si el motor se sobrecalienta? (el coeficiente de expansión de volumen del hierro colado es similar al del acero.) Uno de los problemas que podrá tener estos motores, es que los pistones por tener un coeficiente de expansión volumétrica mayor que los cilindros, se expandirá más que estos y por tanto el motor se pudiera detener o no permitirá el correcto funcionamiento y podría colapsar al sobrecalentarse. P17.4) ¿Por qué se revientan las tuberías de agua congelada? ¿Se rompería un termómetro de mercurio a temperaturas por debajo del punto de congelación del mercurio? ¿Por qué? Porque el agua a diferencia de los demás materiales, al enfriarse en vez de contraerse se expande en volumen. No porque el mercurio si se contrae a diferencia del agua. P17.5) Dos cuerpos del mismo material tienen las mismas dimensiones y aspectos exteriores, pero uno está hueco y el otro no. Si se aumenta su temperatura por igual, ¿Su expansión en volumen global es la misma o distinta? ¿Por qué? De hecho, en la fórmula de dilatación sólo aparecen la temperatura y el volumen anterior. La expansión es la misma, por esto de la fórmula, la masa no aparece. Si fuera una caja hueca, el hueco interior se expandiría tanto como una masa que ocupase ese lugar, del mismo material. P17.6) El interior de un horno esta a 200°C (392°F). Podemos meter la mano en el sin sufrir daño, en tanto no toquemos nada. Dado que el aire del horno también está a 200°C ¿Por qué no se quema la mano? Hay dos puntos relevantes para la discusión: el aire en sí mismo transporta una cantidad muy pequeña de energía térmica y es un conductor térmico muy pobre. Para el primer punto, creo que es interesante considerar el producto densidad × calor específico, esa es la cantidad de energía por unidad de volumen que se puede transferir por cada K de la diferencia de temperatura. En orden de magnitud, el calor específico es aproximadamente comparable, pero la densidad del aire es 10 veces más pequeña que la densidad de un metal común; esto significa que para un volumen dado hay muchas menos "moléculas" de aire que pueden almacenar energía térmica que, en un metal sólido, y por lo tanto el aire tiene mucha menos energía térmica y no es suficiente para causar un aumento peligroso de la temperatura. La velocidad a la que la energía se transfiere a su mano, es decir, el flujo de calor de los otros objetos (aire incluido) a su mano. En la misma cantidad de tiempo y superficie expuesta, tocar aire o un objeto sólido hace que obtenga una cantidad muy diferente de energía transferida a usted. La cantidad relevante a considerar es la conductividad térmica, es decir, la energía transferida por unidad de tiempo, superficie y diferencia de temperatura

P17.7) Un artículo periodístico acerca del clima dice que “la temperatura de un cuerpo mide cuanto calor contiene el cuerpo”. ¿Esta descripción es correcta? ¿Por qué? Esa descripción no es correcta porque la temperatura mide la energía de un cuerpo, no el calor de este. Esto es debido a que la temperatura de un cuerpo está definida como “la cantidad de energía que contiene su unidad de masa. No depende del tamaño del cuerpo ni de su material. A mayor temperatura tendremos mayor sensación de calor, a menor temperatura, sensación de frío. Un cuerpo caliente aporta mayor cantidad de energía”) Entonces, en pocas palabras, lo que en realidad llamamos calor es el flujo de energía caliente o calorífica que se transmite de un cuerpo o un objeto caliente a un cuerpo u objeto frío P17.8) ¿Debemos agregar calor a un objeto para aumentar su temperatura? Si agregamos calor a un objeto. ¿debemos elevar su temperatura? Explique su respuesta. Sí, porque al aumentar calor a un objeto, estamos aumentando su energía y por ende se aumenta su temperatura. No debemos elevar su temperatura porque al aumentar el calor la temperatura se eleva por sí sola. No siempre. Durante el proceso de cambio de estado se puede agregar o quitar calor sin que cambie la temperatura. P17.9) Una estudiante dijo que 1m2 /s2 .Co es una unidad adecuada para capacidad calorífica específica. ¿Tiene ella razón? ¿Por qué? P17.10) En algunos acondicionadores de aire caseros para climas secos, el aire se enfría soplándolo a través de un filtro saturado de agua, evaporando parte del agua. ¿Como esto enfría el aire? ¿Funcionara este sistema en un clima muy húmedo? ¿Por qué? Enfriamiento por evaporación: Enfriamiento que se consigue mediante la evaporación del agua en el aire; consecuentemente la temperatura seca disminuye mientras aumenta la humedad. También llamado enfriamiento adiabático. P17.11) Las unidades de calor especifico son J/kg .K, pero las unidades de calor de fusión o del calor de vaporización son simplemente J/kg. Por qué las unidades de no incluyen el factor ( ) al contabilizar un cambio de temperatura El calor especifico es una cantidad física que se define como cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius) el valor del calor específico.

El calor de cambio de estado, es la energía requerida por una sustancia para cambiar de estado, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso. P17.12) Porque un día cálido y húmedo en el trópico generalmente es más incómodo para los seres húmedos que un día cálido y seco en el desierto? El aire al pasar por nuestro cuerpo nos quita energía, esto sucede debido a que cuando transpiramos por el calor el aire pasa a través del cuerpo quitándole energía al sudor haciendo que se evapore (llevándose el aire agua), con lo que conlleva a que sintamos frio, en cambio en un clima húmedo, el aire ya está cargado de humedad por lo tanto no puede quitarnos esa energía

P17.13) Un trozo de papel de aluminio para envolver una papa y cocerla en un horno caliente, por lo general, puede manejarse con seguridad unos segundos después de que la papa se ha retirado del horno. Sin embargo, no puede decirse lo mismo de la papa. De razones para esta diferencia. Porque la capacidad calorífica de la papa es mucho más grande que la del trozo de papel aluminio, debido a su masa. Y por eso no se puede manejar la papa unos segundos después sin el papel aluminio. P17.14) Los viajeros del desierto a veces guardan agua en bolsas de lona. Algo de agua se filtra por la lona y se evapora. ¿Cómo enfría esto el agua del interior? Lo que sucede es que el aire que pasa a través de la lona húmeda, se lleva energía de la misma ya que produce la evaporación del agua de la superficie de la lona, generando un “enfriamiento” , que bien dicho es que el aire le quita energía al agua generando una disminución de la temperatura. P17.15) Recien que salimos de la ducha, sentimos frío: pero a penas nos secamos sentimos menos frío, aunque la temperatura del cuarto no cambio. ¿Porqué? Porque al salir de la ducha nosotros tenemos una temperatura mayor a la del ambiente, y como las moléculas del aire chocan con nuestro cuerpo sentimos frio, y al secarnos equilibramos un poco nuestra temperatura a la del ambiente y por ende sentimos menos frio. P17.16) El clima de regiones adyacentes a cuerpos grandes de agua (como las costas del pacifico o el atlántico) suele ser más moderado que el de la regiones alejadas de cuerpos grandes de agua (como las praderas) ¿por qué? Las grandes masas de agua actúan como reguladores térmicos, las grandes masas de agua como lagos o mares le quitan energía al aire al momento de que pasan a través de su superfie, en cambio cuando pasan a través de las montañas las mismas le dan energía al aire por lo que se genera un aire más caliente. Explicado de un modo rápido y muy resumido: El agua se calienta y se enfríamás lentamente que la tierra sólida. Así, por ejemplo, en verano la tierra se calienta rápidamente pero el agua tarda más en hacerlo; y cuando llega el invierno, la tierra se enfría rápidamente pero el aguava soltando poco a poco el calor acumulado y hace que la temperatura sea más llevadera El efecto contrario es igual, el agua que ha sido enfriada durante el invierno atenúa las cálidas temperaturas de la tierra en el verano Esto es exactamente lo que ocurre en las zonas costeras, donde la brisa del mar suaviza las temperaturas, tanto en invierno como en verano P17.17) Por qué el agua de una bandeja de cubitos de hielo no se cógela repentinamente cuando la temperatura alcanza 0°C? De hecho el agua se congela en capas adyacentes en las paredes de la bandeja. Por qué? Ocurren dos cosas. En primer lugar, que cuando las capas exteriores, es decir la superficie del agua alcanza los 0 grados, no indica que todo el volumen de agua este a esa temperatura. Segundo el agua tiene la propiedad de que el agua liquida es más densa que el agua sólida, por lo que el hielo (es decir el agua solida) aunque se produzca dentro del volumen del agua, saldrá flotando a la superficie antes de que llegues a notarlo. De ahí, que siempre se congela primero la superficie. P17.18) Antes de inyectar a un paciente, el médico limpia su brazo con alcohol isopropilico a temperatura ambiente. ¿Por qué el paciente siente frio en el brazo? El alcohol es muy volátil y se evapora rápidamente en el aire, a la temperatura ambiente, y este cambio de estado se produce tomando calor del medio ambiente.

Si se frota la piel de la mano con colonia, el líquido se evapora, apoderándose del calor de la piel, cuya temperatura desciende tanto más cuanto más rápida sea la evaporación. P17.19) Un bloque de metal se siente más frío que un bloque de madera a la misma temperatura, ¿por qué? Un bloque de metal caliente se siente más caliente que un bloque de madera a la misma temperatura, de nuevo ¿por qué?. ¿Hay alguna temperatura a la cual ambos cuerpos se sientan igualmente fríos o calientes? ¿Cuál? No obstante, no todos los cuerpos dejan pasar el calor con la misma facilidad. Igual que hablamos de conductores eléctricos, hablamos de conductividad térmica, que se define como la propiedad física de un material que mide su capacidad para conducir el calor. De esta forma hay materiales con una alta conductividad térmica (plata, cobre, aluminio, etc.) y otros con una conductividad térmica muy baja (madera o amianto). Cuando apoyamos los dedos de la mano sobre un material a una temperatura diferente de la nuestra, se producirá un intercambio de calor. Éste intercambio dependerá de la diferencia de temperatura entre ambos cuerpos, por lo que a priori, no debería haber diferencia en tocar un trozo de madera a temperatura ambiente o un trozo de marmol. Sin embargo, sabemos que no es así. El marmol lo notamos más frío. Esto es debido a que el marmol es mejor conductor térmico que la madera. De esta forma, el calor en la superficie que tocamos con los dedos se transmite a lo largo del marmol, y al seguir “fría” la zona que está en contacto con nuestros dedos, continuamos perdiendo calor. Cuando tocamos la madera, al no ser buena conductora, el calor se mantiene en la superficie que está en contacto con nuestros dedos, y éste no se propaga a lo largo del material. A la misma temperatura a la que se encuentra la mano, ambos bloques se sienten exactamente igual y no hay transferencia de calor. P17.20) Una persona vierte café en una taza, pensando beberlo 5 minutos después. Si desea mantener el café lo más caliente posible. ¿Deberá ponerle la crema ahora o esperar hasta justo antes de beberlo? Explique su respuesta. Suponemos la temperatura de la crema a 10° Q=C*m*Tigualo los Q. y despejo temperatura final. Las C son muy parecidas debido al alto nivel de aguaPor la ley de enfriamiento de Newton, es lo mismo en que momento le echemos la crema.

P17.21) Recién que sacamos una tarta de manzana horneado fresco ha sido removido del horno la corteza y el relleno están a la misma temperatura. Aunque si tu pruebas la tarta, el relleno estará caliente para tu lengua, pero la corteza no. A la diferencia (El relleno esta húmedo y la corteza es seca) La corteza y el relleno, aunque estén a la misma temperatura y fuera del horno la corteza libera mas rápido al exterior el calor interno que esta posee, pero el relleno libera el calor con menos rapidez y por eso sucede que parecería más caliente.

El C del relleno es más grande debido a la cantidad de humedad que tiene en contra de la corteza que es seca y tiene un C más pequeño. P17.22) Se dice que las cosas se cocinan mejor (con más uniformidad y sin quemarse) en ollas de hierro colado gruesas. ¿Qué características deseables tienen tales ollas? H=A K T / L; Si la olla es gruesa, el área de conducción es mayor y el flujo de calor es grande, lo que hace que la temperatura en todos los puntos de la olla sea muy parecida (delta T chico) y si la olla es fina, el H es menor y el delta T es mayor. P17.23) En invierno las tierras costeras tienen menor temperatura que el mar, pero en veranos lo opuesto es válido. Explique por qué. El C hace que la superficie de la tierra se caliente más, porque la superficie es menor que la afectada de agua. Si tomamos el mismo Q, el C menor en la tierra, y la masa menor, el AT es mayor. Y en el agua tenemos el mismo Q, mayor C y la masa es mayor, el AT es menor. P17.24) Es bien sabido que una papa se hornea en menos tiempo si se atraviesa un clavo grande. ¿Por qué?. ¿Sería mejor usar un clavo de aluminio que uno de acero? ¿Por qué? También se vende un aparato para acelerar el rostizado de carne, consiste en un tubo metálico que contiene una mecha y un poco de agua; se dice que esto es mucho mejor que una varilla metálica sólida, ¿Cómo funciona? El clavo conduce el calor adentro de la papa y es mas fácil que se cocina por que la superficie a cocinar es menor. Tenemos un mayor H. El mejor material es el aluminio debido a su conductividad térmica. Es posible que el agua sirva para que la carne no se queme alrededor de la varilla y si la varilla es sólida la temperatura puede ser tan alta de forma que se quema la carne. P17.25) Los pilotos de planeadores en el Medio Oeste de Estados Unidos saben que son comunes las corrientes térmicas ascendentes cerca de campos recién arados. ¿ Por qué? Las ascendentes térmicas se producen al calentarse el aire en contacto con el suelo y subir por ser más ligero que el que le rodea, de este modo se forman columnas de aire ascendente. El campo arado se considera seco y la tierra caliente. Si hay viento al pasar por encima de esta superficie el aire se caliente y sube. Si un terreno no esta arado la temperatura es la misma y no se produce la corriente ascendente. P17.26) Hay quienes dicen que los cubos de hielo se congelan en menos tiempo, si las bandejas se llenan con agua caliente, porque ésta se enfría más rápidamente que la fría. ¿Qué opina usted? Los cubos de hielo se congelan en menos tiempo si los comparamos con un volumen más grande, ya que este necesita más tiempo para que la temperatura se distribuya en todo el cuerpo. El agua caliente no se congela más rápido que la fría porque necesita más tiempo en alcanzar un equilibrio térmico, es decir en alcanzar una temperatura promedio y constante con el medio. P17.27) Tenemos suerte de que la tierra no esté en equilibrio térmico con el sol (cuya temperatura superficial es de 5800°K). Pero ¿Por qué no lo está? Porque el equilibrio térmico se produce mediante un medio como en la conducción y convección; y no en el vacío como la radiación ya que esta esa forma con la que los rayos del sol llegan a la tierra. El calor por radiación depende del área. El área de H que recibe la tierra no es el área de todo el sol, sino que de una pequeña superficie. P17.28) Cuando hay escases de energía, algunas revistas recomiendan mantener las casas a temperatura constante día y noche para ahorrar combustible. El argumento es que, al apagar la calefacción de noche, las paredes, techos, etcétera, se enfrían y deberán volver a calentarse en la mañana. Así, al mantener la temperatura constante, estas partes de la casa no se enfrían y no tendrán que volver a calentarse. ¿Tiene sentido este argumento? ¿realmente se ahorra energía siguiendo ese consejo?

Este argumento tiene sentido porque al mantener el calor constante toda la casa se va a mantener en equilibrio térmico, realmente se va a ahorrar energía porque no va a existir un desgaste de energía o calor en exceso durante mucho tiempo, sino que en total la energía utilizada para mantener la casa caliente cuando el calor es constante va a ser menor que cuando dejemos enfriar y de nuevo calentar....