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FSICA 2

HOJA DE PROBLEMAS N4. TEMPERATURA y CALOR

FSICA 2

TEMPERATURA Y DILATACIN1. Los rieles de acero para un ferrocarril se tienden en una regin sujeta a extremos de temperatura. La distancia de una juntura a la otra es de 5,20 m y el rea de la seccin transversal de los rieles es de 60,0 cm2. Si los rieles se tocan entre s sin pandearse a la temperatura mxima de 50,0 C, cunto espacio habr entre los rieles a 10,0 C?2. Considere una tira bimetlica que consiste en una tira superior de latn con un espesor de 0,50 mm soldada a una tira inferior de acero de 0,50 mm de espesor. Cuando la temperatura de la tira bimetlica se incrementa por 20 K, la punta que no est sujeta se desva por 3,0 mm de su posicin recta original, como se muestra en la figura. Cul es la longitud de la tira en su posicin original?

3. Con objeto de crear un ajuste apretado entre dos partes metlicas, en ocasiones los maquinistas hacen la parte interior mayor que el agujero en el que ajustarn y entonces, ya sea que enfren la parte interior o bien calienten la parte exterior hasta que ajusten una con la otra. Suponga que una barra de aluminio con un dimetro D1 (a 20 C) debe encajar en un agujero en una placa de latn con un dimetro D2 = 10,00 mm (a 20 C). Los maquinistas pueden enfriar la barra a 77,0 K, sumergindola en nitrgeno lquido. Cul es el mximo dimetro posible que puede tener la barra a 20 C y que apenas encaje en el agujero si la barra se enfra a 77,0 K y la placa de latn se conserva a 20 C? Los coeficientes de expansin lineal del aluminio y del latn son 2,2 x 105 C1 y 1,9 105 C1, respectivamente.

4. Un cuerpo de coeficiente de dilatacin lineal 8,00 x 10-5 C-1 ocupa un volumen de 100,00 m3 a la temperatura de 10,0 C. Cul ser la temperatura con el volumen de 101,92 cm3? SolucionEn el caso de volumen se tiene:

Entonces

5. Un pedazo de un metal tiene a 20,0C un volumen de 40,000 cm3 y a 220,0 C un volumen de 40,194 cm3. Cul es el coeficiente de dilatacin cbica?SolucionEn el caso de volumen se tiene:

Ademas

6. Un pequeo cilindro de cobre, a 10,0 C, ocupa un radio de 1,00 cm y una altura de 1,00 cm. Cul es el volumen a 50,0 C si coeficiente de dilatacin del cobre es 1,70 x 10-5 C-1?7. Una plancha metlica de forma circular de 3,00 m de radio est a 25,0 C. Calcule su superficie a 200,0 C si el coeficiente de dilatacin lineal es 1,30 x 10-5 C-1.8. Un cuerpo de 3,00 m3 est a 12,0 C. Cul es el aumento de volumen al subir la temperatura a 140,0 Csi el coeficiente es 1,50 x 10-4 C-1?9. Una vara de latn y otra de acero a 0,0 C miden 10,0 m. Cul ser la diferencia de longitudes a 100,0 C si los coeficientes de dilatacin son 1,90 x10-5 C-1 y 1,30 x 10-5 C-1 respectivamente?10. Dos barras de hierro y zinc respectivamente con coeficientes de 1,1 x 10-5 C-1 y 2,6 x 10-5 C-1 a -10,0 C miden 25,55 cm y 25,50 cm . Hasta qu temperatura habr que calentarlas para que tengan la misma longitud? 11. Halle el aumento de superficie que experimenta un cuadrado de 3,00 m de lado cuando se calienta desde -20,0 C a 120,0 C , si elcoeficiente es 1,20 x 10-5 C-1 .12. Una varilla de metal de 2,00 m de largo a 10,0 C y 2,15 m a 110,0 C . Cul ser su coeficiente de dilatacin lineal?13. Una varilla de acero de coeficiente 1,30 x 10-5 C-1 a 100,0 C tiene una longitud de 5,005 76 m y a una temperatura X, una longitud de 5,000 00 m. Cul es el valor de X?TRANSFERENCIA DE CALOR14. Una ventana tiene una superficie de vidrio de 1,6 x 103 cm2 y un espesor de 3,00 mm . (a) Determine la rapidez de transferencia de calor por conduccin a travs de este cristal cuando la temperatura de la superficie interior del vidrio es 70 F y la temperatura exterior es 90 F. (b) Repita el ejercicio para la misma temperatura interior y una temperatura exterior de 0 F.15. Una ventana thermopane se compone de dos hojas de vidrio, cada una de 0,50 cm de espesor, con una capa de aire de 1,0 cm de espesor encerrada hermticamente entre los vidrios. Si la temperatura interior es de 23,0 C y la temperatura exterior es de 0 C, determine la rapidez de transferencia de calor a travs de 1,00 m2 de la ventana. Compare este resultado con la rapidez de transferencia de calor a travs de 1,00 m2 de una sola hoja de vidrio de 1,00 cm de espesor.16. Una barra de cobre y una barra de acero se calientan. A 0 C la barra de cobre tiene una longitud de Lc y la del acero una longitud de La. Cuando las barras se calientan o se enfran, se mantiene una diferencia de 5 cm entre sus longitudes. Determine los valores de Lc y La17. Hallar la temperatura resultante de la mezcla de 150 g de hielo a 0 C y 300 g de agua a 50 C18. Hallar el calor que se debe extraer de 20 g de vapor de agua a 100 C para condensarlo y enfriarlo hasta 20 C. Calor de fusin del hielo 80 cal/g; calor de vaporizacin 540 cal/g19. Un calormetro de 55 g de cobre contiene 250 g de agua a 18 C. Se introduce en l 75 g de una aleacin a una temperatura de 100 C, y la temperatura resultante es de 20,4 C. Hallar el calor especfico de la aleacin. El calor especfico del cobre vale 0,093 cal/g C20. La combustin de 5 g de coque eleva la temperatura de 1 L de agua desde 10 C hasta 47 C. Hallar el poder calorfico del coque.21. El agua en la parte superior de las cataratas del Nigara tiene una temperatura de 10 C. Si sta cae una distancia total de 50 m y toda su energa potencial se emplea para calentar el agua, calcule la temperatura del agua en el fondo de la catarata22. La temperatura de una barra de plata aumenta 10 C cuando absorbe 1,23 kJ de calor. La masa de la barra es 525 g. Determine el calor especfico de la barra23. Si 200 g de agua estn contenidos en un recipiente de aluminio de 300 g a 10 C y 100 g adicionales de agua a 100 C se vierten en el sistema, cul es la temperatura de equilibrio final del sistema? Calor especfico del aluminio 0,215 cal/g C.24. Cunto calor debe agregarse a 20 g de aluminio a 20 C para fundirlo completamente? Calor de fusin del aluminio 3,97 x 105 J/kg; Calor especfico del aluminio 0,215 cal/g C; Punto de fusin del aluminio, 660 C.25. Una bala de plomo de 3 g se desplaza a 240 m/s cuando se incrusta en un bloque de hielo a 0 C. Si todo el calor generado funde el hielo, qu cantidad de hielo se derrite? (el calor latente de fusin para el hielo es de 80 kcal/kg y el calor especfico del plomo es de 0,030 kcal/kg C)26. Cul es la temperatura de equilibrio final cuando 10 g de leche a 10 C se agregan a 160 g de caf a 90 C? (suponga que las capacidades calorficas de los dos lquidos son las mismas que las del agua, e ignore la capacidad calorfica del recipiente).27. Una herradura de hierro de 1,5 Kg inicialmente a 600 C se sumerge en una cubeta que contiene 20 Kg de agua a 25 C. Cul es la temperatura final?28. Una placa de hierro de 2 cm de espesor tiene una seccin recta de 5,000 cm2. Una de las caras se halla a la temperatura de 150 C y la opuesta a 140 C. Calcular la cantidad de calor que se transmite por segundo. La conductividad trmica del hierro vale 0,115 cal/s.cm.C29. La seccin de pasajeros de un avin a reaccin comercial tiene la forma de un tubo cilndrico de 35 m de largo y 2,5 m de radio exterior. Sus paredes estn forradas con un material aislante de 6 cm de espesor y de 4 x 10-5 cal/s.cm.C de conductividad trmica. El interior se mantiene a 25 C mientras que el exterior est a 35 C. Qu tasa de calefaccin es necesaria para mantener esta diferencia de temperatura?30. Una ventana de cristal trmico de 6 m2 de rea est constituido con dos hojas de vidrio, cada una de 4 mm de espesor separadas por un espacio de aire de 5 mm. Si el interior est a 20 C y el exterior a 30 C, cul es la prdida de calor a travs de la ventana?