Problemas de transferencia de calor por convección y soluciones
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Observa el siguiente gráfico. Teniendo en cuenta el cambio de volumen del agua al aumentar su temperatura a partir de 0 °C, discute la diferencia de comportamiento del agua y de otras sustancias. ¿Cómo se denomina este comportamiento del agua?
Toma tres bolas de hierro, cobre y plomo de igual masa y ponlas en agua hirviendo durante algún tiempo. A continuación, sácalas del agua y mide su temperatura. Todas ellas estarán a una temperatura de 100oC. Ahora, colócalas inmediatamente sobre la gruesa losa de cera. Observa la profundidad a la que se adentra cada una de las bolas en la cera. La bola que absorba más calor del agua dará más calor a la cera. Por lo tanto, se derretirá más cera y la bola se adentrará más en la cera. Se observará que la bola de hierro es la que más penetra en la cera. La bola de plomo es la que menos penetra y la de cobre lo hace a una profundidad intermedia. Esto demuestra que para un mismo aumento de la temperatura, las tres bolas han absorbido diferentes cantidades de calor. Esto significa que la propiedad que determina la cantidad de calor absorbida por una bola es diferente para las tres bolas. Esta propiedad se llama capacidad calorífica específica.
Problemas de física de calor y temperatura con soluciones
3. Si se deja que un termómetro llegue al equilibrio con el aire, y un vaso de agua no está en equilibrio con el aire, ¿qué ocurrirá con la lectura del termómetro cuando se coloque en el agua?
6. Un método para conseguir un ajuste firme, por ejemplo de una clavija metálica en un agujero de un bloque metálico, es fabricar la clavija ligeramente más grande que el agujero. La clavija se inserta entonces cuando está a una temperatura diferente a la del bloque. ¿Debe estar el bloque más caliente o más frío que la clavija durante la inserción? Explica tu respuesta.
9. Calcula la longitud de una varilla de 1 metro de un material con coeficiente de dilatación térmica αα cuando la temperatura se eleva de 300 K a 600 K. Tomando tu respuesta como la nueva longitud inicial, halla la longitud después de que la varilla se enfríe de nuevo a 300 K. ¿Es tu respuesta 1 metro? ¿Debería serlo? ¿Cómo puedes explicar el resultado que has obtenido?
10. Observando las grandes tensiones que puede provocar la dilatación térmica, un inventor de armas aficionado decide utilizarla para fabricar un nuevo tipo de pistola. Planea atascar una bala contra una varilla de aluminio dentro de un tubo de invar cerrado. Al calentar el tubo, la varilla se expandirá más que el tubo y se acumulará una fuerza muy fuerte. Entonces, mediante un método aún por determinar, abrirá el tubo en una fracción de segundo y dejará que la fuerza de la varilla lance la bala a muy alta velocidad. ¿Qué está pasando por alto?
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En el apartado anterior hemos aprendido que la temperatura es proporcional a la energía cinética media de los átomos y moléculas de una sustancia, y que la energía cinética interna media de una sustancia es mayor cuando la temperatura de la misma es más elevada.
Si se ponen en contacto dos objetos a diferentes temperaturas, la energía se transfiere del objeto más caliente (es decir, el objeto con mayor temperatura) al objeto más frío (de menor temperatura), hasta que ambos objetos están a la misma temperatura. No hay transferencia neta de calor una vez que las temperaturas son iguales porque la cantidad de calor transferida de un objeto al otro es la misma que la cantidad de calor devuelta. Uno de los principales efectos de la transferencia de calor es el cambio de temperatura: El calentamiento aumenta la temperatura mientras que el enfriamiento la disminuye. Los experimentos demuestran que el calor transferido hacia o desde una sustancia depende de tres factores: el cambio de temperatura de la sustancia, la masa de la sustancia y ciertas propiedades físicas relacionadas con la fase de la sustancia.
Transferencia de calor: ejercicios
1. Escala Celsius: En esta escala el punto fijo inferior se marca como o y el superior como 1oo. El intervalo entre los dos puntos fijos se divide en 100 partes iguales. Cada parte o grado representa 1oC.
2. Escala Fahrenheit: En esta escala el punto fijo inferior está marcado como 32 y el superior como 212. El intervalo entre los dos puntos fijos se divide en 180 partes iguales. Cada parte o grado representa 1o F.
3. Escala Reaumur: En esta escala el punto fijo inferior está marcado como 0 y el superior como 80. El intervalo entre los dos puntos fijos se divide en 80 partes iguales. Cada parte o grado representa 1oR.
4: Escala de temperatura absoluta: En esta escala el punto fijo inferior está marcado como 237K y el superior como 373K. El intervalo entre los dos puntos fijos se divide en 100 partes iguales. Cada parte o división representa 1K.
Escala de temperatura absoluta: Se utiliza para medir la temperatura. Usando la escala de temperatura absoluta podemos medir la temperatura 273k-373K. En esta escala el punto fijo inferior está marcado como 237K y el superior como 373K. El intervalo entre los dos puntos fijos se divide en 100 partes iguales. Cada parte o división representa 1K.
