FÍSICA
DOCENTE: GUSTAVO BEVILACQUA ALUMNO:…………………………………………………………………………………………. AÑO: 3º ES
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FÍSICA Curso: 3º ESB Material de Estudio y Ejercitación Prácticas de Laboratorio Contenido:
Calor y Temperatura Trabajo y Energía Mecánica Propiedades Térmicas de la Materia Formas de transmisión Cambio de estado
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Trabajo y Energía Mecánica
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EJERCICIOS DE ENERGÍA MECÁNICA ENERGÍA CINÉTICA 1. Calcula la energía cinética de una persona de 70 kg de masa cuando se mueve a 5 m/s. Sol: 7875 J 2. Un coche circula a una velocidad de 72 km/h y tiene una masa de 500 kg. ¿Cuánta energía cinética posee? Sol: 100.000J = 105J 3. Se lanzan dos pelotas de igual masa, pero una con el doble de velocidad que la otra. ¿Cuál poseerá mayor energía cinética? ¿Por qué? ENERGÍA POTENCIAL 1. Calcula la energía potencial de un martillo de 1,5 kg de masa cuando se halla situado a una altura de 2 m sobre el suelo. Sol: 29,4 J 2. Se sitúan dos bolas de igual tamaño pero una de madera y la otra de acero, a la misma altura sobre el suelo. ¿Cuál de las dos tendrá mayor energía potencial? 3. Se sube en un ascensor una carga de 2 T (1 T = 1000 kg) hasta el 6º piso de un edificio. La altura de cada piso es de 2,5 metros. Sol: 294.000 J = 2,94·105J ENERGÍA MECÁNICA = E. CINÉTICA + E. POTENCIAL + E. ELÁSTICA 1. Calcula la energía mecánica de un saltador de longitud de 75 kg de masa, cuando está en el aire a 2,5 metros sobre el suelo y con una velocidad de 9 m/s. Sol: 4875 J 2. Un avión vuela con una velocidad de 720 km/h a una altura de 3 km sobre el suelo. Si la masa del avión es de 2500 kg, ¿cuánto vale su energía mecánica total? Sol: 123.500.000 J = 1,235·108 J 3. Calcula la energía mecánica que tendrá una de las góndolas de una noria de 15 m de radio cuando se encuentra en su punto más alto, moviéndose a una velocidad de 3 m/s, si su masa es de 200 kg. Sol: 59.700 J ENERGIA, TRABAJO Y POTENCIA 1. Un coche con una masa de 1000 kg acelera de 0 a 30 m/s en 10 seg.. Calcula: a) La energía cinética que ha ganado Sol: ΔE = 4,5 105 J b) La potencia del coche Sol: P = 60.35 HP
2. Un coche frena y se detiene en 10 m. Mientras se está deteniendo, la fuerza de rozamiento de las ruedas sobre el pavimento es de 400 N. Calcula el trabajo realizado. Sol: -4000 J
3. Arrastramos un baúl por el suelo mediante una cuerda que forma un ángulo de 30º con la horizontal. Si movemos el baúl horizontalmente 2 m aplicando una fuerza de 300 N a la cuerda, ¿Cuál es el trabajo realizado? Sol: 519,6 J 4. Una grúa sube 200 kg hasta 15 m de altura en 20 s. ¿Qué potencia tiene? Sol: P = 1.97 HP 5. Un chico de 60 kg asciende por una cuerda hasta 10 m de altura en 6 segundos. ¿Qué potencia desarrolla en la ascensión? Sol: 1.34 HP
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CONSERVACION DE LA ENERGIA MECANICA 1. Un avión que vuela a 3000 m de altura y a una velocidad de 900 km/h, deja caer un objeto. Calcular a qué velocidad llega al suelo. Sol: v = 350 m/s 2. Dejamos caer una pelota de 0.5 kg desde una ventana que está a 30 m de altura sobre la calle. Calcula: a) La energía potencial respecto al suelo en el momento de soltarla Sol: Ep = 147 J b) La energía cinética en el momento de llegar al suelo. Sol: Ec = 147 J c) La velocidad de llegada al suelo. Sol: v = 24,25 m/s 3. En una feria nos subimos a una “Barca Vikinga” que oscila como un columpio. Si en el punto más alto estamos 12 m por encima del punto más bajo y no hay pérdidas de energía por rozamiento. Calcula: a) ¿A qué velocidad pasaremos por el punto más bajo? Sol: v = 15,3 m/s b) ¿A qué velocidad pasaremos por el punto que está a 6 m por encima del punto más bajo? Sol: v = 10,8 m/s 4. Se deja caer una piedra de 1 kg desde 50 m de altura. Calcular: a) Su energía potencial inicial. Sol: Ep = 500 J) b) Su velocidad cuando esté a una altura de 20 m. Sol: v = 24,5 m/s) c) Su energía cinética cuando esté a una altura de 20 m. Sol: Ec = 300 J) d) Su energía cinética cuando llegue al suelo. Sol Ec = 500 J) 5. Un ciclista que va a 72 km/h por un plano horizontal, usa su velocidad para subir sin pedalear por una rampa inclinada hasta detenerse. Si el ciclista más la bicicleta tienen una masa de 80 kg y despreciamos el rozamiento, calcula a) Su energía mecánica. Sol: Ec=16000 J La altura hasta la que logra ascender. Sol: h = 20 m b) c) Es real esta altura calculada ¿la alcanza realmente? ¿por qué? 6. Subimos un carrito de 50 kg por una rampa de 30 m de longitud inclinada 10°. Si no hay rozamiento, calcula: a) El trabajo que hay que hacer para subir el carrito hasta lo alto de la rampa. Sol: W = - 2605 J b) La energía potencial que tendrá el carrito cuando esté arriba. Sol: Em = 2605 J c) La velocidad a la que llegará a la parte baja de la rampa el carrito si lo dejamos caer. Sol: v = 10,2 m/s ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
FORMULAS PARA RECORDAR Ee = 1/2K∆x2 W = F.d.cosα
Ec = 1/2mv2
Ep = mgh
Em= Ep + Ec + Ee
P = W / t o también P = E / t
También recordar que
1 HP = 746 w
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Calor y Temperatura
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Ejercitación de Calorimetría Aplicación a situaciones problemáticas
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Efectos de la Temperatura sobre la materia. Dilatación y Contracción 1) Se instala un tramo de ferrocarril a lo largo de una zona desértica que posee una amplitud térmica que va desde los -5°C de noche hasta los 55°C por la tarde. Cada riel de acero posee un largo de 12 m. ¿qué separación mínima deberá dejarse entre riel y riel para evitar el plegamiento de uno con el contiguo? Rta: 8,6 mm 2) Un tanque con una capacidad para 3750 litros, se llena con 3725 litros de agua a 15°C. Si por un incendio cercano la temperatura se eleva hasta los 67°C, se desea saber si desbordará el tanque. Si durante el invierno la temperatura desciende a los 2°C. ¿Qué volumen tendrá el agua? Rta: Si, 3766 litros y 3715 litros. 3) Una viga de concreto de 25 metro de largo, se utiliza para la construcción de una autopista. Durante el día la temperatura que soportará pude rondar en los 70°C, mientras que de noche la temperatura puede llegar a los -5°C. La temperatura de instalación fue de 22°C. ¿Cuáles serán las medidas máximas y mínimas de la viga? Rta: 25,012 m y 24,993 m
Cantidad de Calor y Temperatura de Equilibrio 1) El calor de combustión de la leña es 4*10³ cal /g. ¿Cuál es la cantidad de leña que debemos quemar para obtener 12*107 cal? 2) El calor de combustión de la nafta es 11*10³ cal /g. ¿Cuál es la masa de nafta que debemos quemar para obtener 40*107 cal? 3) Para calentar 800 g de una sustancia de 0 °C a 60° °C fueron necesarias 4.000 cal. Determine el calor específico y la capacidad térmica de la sustancia. 4) Para calentar 2.000 g de una sustancia desde 10 °C hasta 80° °C fueron necesarias 12.000 cal. Determine el calor específico y la capacidad térmica de la sustancia. 5) ¿Cuál es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 200 g de cobre de 10 °C a 80 °C?. Considere el calor específico del cobre igual a 0,093 cal /g °C. 6) Considere un bloque de cobre de masa igual a 500 g a la temperatura de 20 °C. Siendo: c cobre = 0,093 cal /g °C. Determine: a) la cantidad de calor que se debe ceder al bloque para que su temperatura aumente de 20 °C a 60 °C y b) ¿cuál será su temperatura cuando sean cedidas al bloque 10.000 cal? 7) Un bloque de 300 g de hierro se encuentra a 100 °C. ¿Cuál será su temperatura cuando se retiren de él 2.000 cal? Sabiendo que: c hierro = 0,11 cal /g °C. 8) Sean 400 g de hierro a la temperatura de 8 °C. Determine su temperatura después de haber cedido 1.000 cal. Sabiendo que: c hierro = 0,11 cal /g °C.
27 9) Para calentar 600 g de una sustancia de 10 °C a 50 °C fueron necesarias 2.000 cal. Determine el calor específico y la capacidad térmica de la sustancia. 10) ¿Cuál es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 300 g de cobre de 20 °C a 60 °C? Siendo: c cobre = 0,093 cal /g °C. 11) Sea 200 g de hierro a la temperatura de 12 °C. Determine su temperatura después de haber cedido 500 cal. Siendo: c hierro = 0,11 cal /g °C. 12) Transforme 20 J en calorías. 13) Transforme 40 cal en Joules. 14) Suministrando una energía de 10 J a un bloque de una aleación de aluminio de 5 g; su temperatura varía de 20 °C a 22 °C. Determine el calor específico de este material. 15) Un recipiente térmicamente aislado contiene 200 g de agua, inicialmente a 5 °C. Por medio de un agitador, son suministrados 1,26*104 J a esa masa de agua. El calor específico del agua es 1 cal /g °C; el equivalente mecánico de la caloría es de 4,2 J/cal. Considere despreciable la capacidad térmica del recipiente. Calcule la temperatura final del agua. 16) Se colocan 200 g de hierro a 120 °C en un recipiente conteniendo 500 g de agua a 20 °C. Siendo el calor específico del hierro igual a 0,114 cal /g °C y considerando despreciable el calor absorbido por el recipiente. Determine la temperatura de equilibrio térmico. 17) Se colocan 400 g de cobre a 80 °C en un recipiente conteniendo 600 g de agua a 22 °C. Determine la temperatura de equilibrio térmico sabiendo que el calor específico del cobre es de 0,092 cal /g °C.
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Ley de Conducción del Calor
1) Un disco de hierro de una cocina eléctrica tiene un radio de 10 cm y un espesor de 5 mm. La temperatura de la superficie interior es de 120 ºC y la de la exterior de 110 ºC. ¿Qué cantidad de calor es conducida a través de él en cada minuto? 2) ¿Cuánto tardará el disco anterior en suministrar la cantidad de calor necesario para hacer hervir 1 litro de agua que estaba a 10 ºC? 3) Una casa tiene paredes de 25 cm de espesor, con una superficie de 300 m2 , construídas con un material cuyo coeficiente de conducción es de 0,01 cal / cm. ºC. s ¿Qué cantidad de calor por minuto debe producir una estufa para mantener constantemente una diferencia de 10 ºC con la temperatura del exterior? 4) Calcule un nuevo coeficiente para el problema anterior si queremos mantener una diferencia de temperatura de 15 ºC, conservando la misma potencia.
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Respuestas 1) 45232 cal 2) 200 seg 3) 720000 cal 4) 0,007 cal / cm. ºC. s aproximadamente. 5) 50.2 Kw
Cambio de Estado.Calor Latente 1) ¿Por qué crees que son más severas las quemaduras con vapor a 100ºC que con agua a 100 ºC? 2) ¿Por qué al evaporarse el alcohol en la piel, esta se enfría? 3) ¿Qué cantidad de calor se necesita para fundir 2 Kg de cobre que están a la temperatura de fusión? 4) Se quiere fundir 25 g de cinc que están a 20º C. ¿Que cantidad de calor se necesitan? 5) ¿Que cantidad de calor se necesitan para transformar en vapor a 100 ºC, 2 litros de agua que están a 20 ºC? 6) En una heladera se colocan 100 g de agua que están a 20 ºC y se obtienen cubitos de hielo a -5 ºC. ¿Que cantidad de calor se le extrajo al agua? 7) ¿Que cantidad de calor será necesaria para transformar 100 g de hielo a -5 ºC, en vapor a 100 ºC? 8) Si 90 g de plomo fundido a 327,3 ºC se vierten en un molde de 300 g de hierro que inicialmente estaba a 20 ºC ¿Cuál es la temperatura final del sistema? 9) Con un litro de agua a 30 ºC se prepara te helado. ¿Cuánto hielo a 0 ºC debe agregarse para reducir la temperatura del te a 10 ºC? 10) Se colocaron 5 cubitos de hielo de 12 g cada uno en 550 cm3 de agua a 23 ºC. Determine la temperatura final del sistema 11)¿Qué masa de hielo se necesitaran en el problema anterior para que se congele toda el agua a 0 ºC?
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Prรกcticas de Laboratorio
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Práctica de Laboratorio Calor y Temperatura Trabajo Practico 1: Estudio de la variación de la temperatura en función del tiempo 1. Objetivos del experimento 1. Realizar mediciones de temperatura sobre distintos materiales 2. Conocer las diferencias entre las escalas. 2. Equipo a utilizar: 1 recipiente para poder calentar líquido 1 mechero termómetro 3. Realización: a. Con un recipiente adecuado calentar 0,5 litro de agua y tomar las mediciones de temperatura cada 1 minuto. tiempo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Temp ºC
Temp ºF
Temp ºK
4: Graficos: Realizar 3 gráficos distintos (1 para cada escala de temperatura) donde se observe la variación de la temperatura en función del tiempo.
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Práctica de Laboratorio Calor y Temperatura Trabajo Práctico 2: Cáculo de capacidades caloríficas de distintos materiales. 1. Objetivos del experimento Obtener un valor aproximado de las capacidades caloríficas de algunos
materiales.
2. Equipo a utilizar:
1 recipiente para poder calentar líquido 1 mechero Termómetro Tornillos de acero. Agua de red. Monedas o llaves de Bronce. Calorímetro con agitador Pinzas de madera Aceite de cocina
3. Realización:
Experiencia 1 1. Con un recipiente adecuado calentar 0,5 litro de agua hasta ebullición. 2. Colocar ml de agua de red en el calorímetro y medir su temperatura. 3. Introducir los objetos a medir en el agua hirviendo con cuidado. Esperar unos minutos a que lleguen a 100 ºC. 4. Sacarlos e introducirlos en el calorímetro con el agua de red, tapar y agitar hasta homogeneizar la temperatura (2 min aprox) 5. Medir la temperatura de equilibrio. 6. Realizar los cálculos correspondientes para obtener la capacidad calorífica del material en cuestión. Experiencia 2
1. Colocar la misma masa de agua y aceite en sendos vasos calentadores. 2. Medir por separado el tiempo que le lleva a cada uno elevar su temperatura el mismo delta T (Ej: subir de 20ºC a 70ºC) 3. No habiendo variado la llama del mechero y usando un vaso con las mismas característica podemos afirmar que existe una proporcionalidad Q1 = Q2 t1 t2 y sabiendo que Q=m. Cp. DT, y teniendo en cuenta que se verifica la igualdad anterior, podemos simplificar las masas que son iguales y los DT que tambien lo son quedando
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Cp1 = Cp2 t1 t2 Como ya conocemos el de uno de ellos (agua) podemos deducir por despeje el del aceite.
4. Conclusiones: Explique las causas posibles por las cuales el valor obtenido de los Cp se diferencie de los tabulados
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Práctica de Laboratorio Calor y Temperatura Trabajo Práctico 3: Formas de transmisión del calor. 1. Objetivos del experimento: Observar en forma cualitativa las diversas formas e transmisión del calor.
2. Equipo a utilizar:
Agua e red Polvo de tiza de color Vaso calentador Mechero 1 vela 2 Latas de gaseosa vacías. Termómetro Papel alumino.
3. Realización: Experiencia 1
1. Coloquen agua en un recipiente. 2. Agreguen trocitos de tiza de color. . 3. Coloquen el recipiente al fuego hasta que hierva el agua. Resuelvan las siguientes consignas a. ¿Qué ocurre cuando el agua comienza a calentarse? b. Describan este fenómeno en términos físicos.
Experiencia 2
1 .Tomen una de las latas y pásenla por la llama de una vela en toda su superficie oteniendo un color negro humo 2. La otra lata la forramos con papel aluminio en toda su superficie 3. Las llenamos con agua asegurando que tengan la misma cantidad del líquido. Anoten la temperatura inicial del agua de ambas latas.
35 4. Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego. Tambien se pueden colocar al sol (un tiempo no menor a los 30 min) 5. Medir la temperatura del agua en cada lata. Resuelvan las siguientes consignas. a. ¿Coinciden los registros de temperatura de ambas latas? b.¿Porqué? Justifiquen su respuesta mediante conceptos físicos.