CALOR Y TERMODINAMICA, AD07, practica online de fisica, ejercicios resueltos

home

más sobre termo

otros temas de Física

lecciones del maestro Ciruela

tonterías

NO ME SALEN
(APUNTES TEÓRICOS Y EJERCICIOS DE BIOFÍSICA DEL CBC)
CALOR Y TERMODINÁMICA

nomesalen

Adicional NMS 07 - 1- En un recipiente adiabático hay 240 g de agua líquida y se introducen 30 g de vapor de agua a 120ºC, la temperatura en el equilibrio es de 70 ºC. Si la capacidad calorífica del recipiente es de 50 cal/ºC y el recipiente se encuentra a presión atmosférica normal:
a - Gráfico de la evolución de temperatura en función del calor cedido por la masa de vapor.
b - La temperatura inicial del recipiente y del agua.

En este tipo de ejercicio en el que te solicitan un gráfico podés intentar hacerlo de una... pero también podés dejarlo para después y utilizar como ayuda los valores que te solicita la segunda parte. No siempre es así... a veces es justamente al contrario. En este ejercicio voy a empezar por la pregunta b.

En general, suele ser muy útil un esquema de este tipo. Resulta muy útil sobre todo porque le pone nombre a cada intercambio de calor, y porque te permite tener una visión general de la evolución de todos los cuerpos que lo intercambian.

Q₁ será el calor cedido durante el enfriamiento de los 30 g de vapor de agua, desde los 120 hasta los 100 ºC.

Llamé Q₂ al de la condensación del vapor, que pasa al estado líquido. Se trata de un cambio de estado, que ocurre a temperatura constante, como todos saben, a 100 ºC.

Y llamé Q₃ al del enfriamiento de esa masa (ahora líquida, antes vapor) desde los 100 hasta los 70 ºC, la temperatura de equilibrio.

Por otro lado, llamé Q₄ al aumento de la temperatura de los 240 g de agua líquida que se halla inicialmente a una temperatura desconocida, T₀.

Y por último, Q₅, al calor recibido por el calorímetro al aumentar su temperatura desde T₀ (la misma que el agua líquida) hasta la temperatura de equilibrio.

Ahora planteemos, según corresponda, la ecuación de calorimetría de cada cantidad de calor:

Q₁ = m_vap c_vap (T_Fvap – T_0vap)

Q₁ = 30 g . 0,5 cal/g°C (100 ºC – 120 ºC)

Q₁ = – 300 cal

Esa fue fácil. El que sigue es un cambio de estado. Hay que usar el calor latente.

Q₂ = m_vap L _vap = 30 g . 540 cal/g

Q₂ = – 16.200 cal

Después de ceder esa cantidad de calor (por eso le puse el signo negativo), el vapor se transformó totalmente en agua líquida. Que ahora se sigue enfriando:

Q₃ = m_líq(vap) c_líq (T_Flíq(vap) – T_0líq(vap))

Q₃ = 30 g . 1 cal/g°C (70 ºC – 100 ºC)

Q₃ = – 900 cal

Vamos al otro lado del esquema, los calentamientos... primero el agua:

Q₄ = m_líq c_líq (T_Flíq – T₀)

Q₄ = 240 g . 1 cal/g°C (70 ºC – T₀)

Q₄ = 240 g . 1 cal/g°C . ΔT

Y por último el calorímetro, que no sabemos de qué está hecho, pero por suerte nos brindan el valor de su capacidad calórica.

Q₅ = C_cal (T_Fcal – T₀)

Q₅ = 50 cal/°C . (T_Fcal – T₀)

Q₅ = 50 cal/°C . ΔT

Ahora podemos juntar todo... ya habrás visto que nos queda una sola incógnita que es la temperatura inicial del agua y del calorímetro, T₀, que es la misma, ya que se encuentran en un equilibrio previo.

Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ = 0

Q₄ + Q₅ = – Q₁– Q₂ – Q₃

240 g . 1 cal/g°C . ΔT + 50 cal/°C . ΔT = 17.400 cal

(240 cal/°C + 50 cal/°C) . ΔT = 17.400 cal

ΔT = 17.400 cal / 290 cal/°C

ΔT = 60 °C

a) T₀ = 10 °C

Ahora, usando los valores encontrados, el gráfico va a poder acercarse mucho más a una escala correcta... y le podemos sacar más provecho.

Acá lo tenés... no tiene una escala perfecta... pero está bastante proporcionada.

Una de las cosas que tenés que aprovechar para mirar y mirar y grabarte bien bien en la cabeza es... que los cambios de estado (segmento rojo) se realizan a temperatura constante.

Una característica de los cambios de estado, pocas veces practicadas, es que los calores latentes (ya sea el de fusión o el de vaporización) son independientes del sentido del cambio. Por ejemplo: 540 cal/g es el calor necesario para evaporar agua, y también es el calor cedido al licuar vapor. De la misma manera: 80 cal/g es el calor necesario para derretir hielo, y también es el cedido por el agua líquida cuando se congela. Y chupate esa mandarina.

Desafío: Mirá este detalle del gráfico... la pendiente de calentamiento del agua (segmento celeste) es diferente de la de enfriamiento del agua (segmento naranja)... ¿será uno de los defectos del gráfico (que ya te aclaré que está hecho en una escala aproximada)? ¿O será correcto que, siendo su calor específico el mismo, las pendientes sean diferentes?