Examen Tema 3 — Calor y temperatura

Duración: 60 minutos · Total: 10 puntos Datos: c_agua = 4 181 J/(kg·K); c_aluminio = 897 J/(kg·K); c_hierro = 450 J/(kg·K); L_fusión_agua = 334 000 J/kg; L_vap_agua = 2 260 000 J/kg.

Parte 1 – Conceptos (3 puntos)

1. (1,0) Define calor y temperatura y explica por qué no son lo mismo. ¿De qué dependen cada uno?

2. (0,5) ¿Qué se entiende por equilibrio térmico?

3. (1,0) Describe los tres mecanismos de transferencia de calor (conducción, convección y radiación). Indica si necesitan o no medio material.

4. (0,5) ¿Por qué la temperatura mínima posible es 0 K? ¿A cuántos °C corresponde?

Parte 2 – Cálculos (5 puntos)

5. (1,0) ¿Cuánta energía se necesita para calentar 800 g de agua de 22 °C a 95 °C?

6. (1,0) Una bola de hierro de 2 kg se enfría de 250 °C a 30 °C. Calcula la energía cedida.

7. (1,5) Calcula la energía total para convertir 100 g de agua líquida a 50 °C en vapor a 100 °C.

8. (1,5) Se mezclan 1 L de agua a 90 °C con 2 L de agua a 15 °C en un recipiente aislado. a) ¿Cuál es la temperatura final? b) ¿Cuánta energía ha cedido la masa caliente?

Parte 3 – Calorímetro (1 punto)

9. (1,0) En un calorímetro hay 250 g de agua a 20 °C. Se sumerge un cilindro de aluminio de 300 g calentado a 95 °C. ¿Cuál será la temperatura final?

Parte 4 – Razonamiento aplicado (1 punto)

10. (1,0) Explica, basándote en el modelo cinético-corpuscular, por qué un sólido se dilata al calentarse.

SOLUCIONES

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Parte 1

Temperatura: propiedad de un sistema relacionada con la energía cinética media de sus partículas. Depende de la rapidez promedio del movimiento.
Calor: proceso por el que un sistema transfiere energía térmica a otro de menor temperatura. Depende de la diferencia de T y del mecanismo.

No son lo mismo porque la temperatura es una propiedad mientras que el calor describe un flujo entre cuerpos.

2. Estado en el que dos cuerpos en contacto igualan su temperatura: deja de haber transferencia neta de energía térmica.

Conducción: choques entre partículas en contacto. Necesita medio material; predomina en sólidos.
Convección: movimiento colectivo de partículas en un fluido. Necesita medio material (líquido o gas).
Radiación: ondas electromagnéticas. No necesita medio material; viaja en el vacío.

4. Porque a 0 K las partículas tendrían la energía cinética mínima posible (movimiento mínimo). Corresponde a −273,15 °C.

Parte 2

5. Q = 0,8 · 4 181 · (95 − 22) = 0,8 · 4 181 · 73 ≈ 244 175 J ≈ 244,2 kJ

6. Q = 2 · 450 · (30 − 250) = 2 · 450 · (−220) = −198 000 J. Cede 198 000 J = 198 kJ.

7. Dos etapas:

Calentar el agua de 50 → 100 °C: Q₁ = 0,1 · 4 181 · 50 = 20 905 J
Vaporizar a 100 °C: Q₂ = 0,1 · 2 260 000 = 226 000 J

Q_total = 20 905 + 226 000 = 246 905 J ≈ 246,9 kJ

8. Como es la misma sustancia (agua) y la densidad es la misma: T_m = (90·1 + 15·2) / (1+2) = (90+30)/3 = 40 °C

Energía cedida por el agua caliente (masa = 1 kg): Q = 1 · 4 181 · (40 − 90) = −209 050 J Cede ≈ 209 kJ (que recibe íntegros la masa fría).

Parte 3

9. Igualando energías (Q_aluminio + Q_agua = 0): m_Al · c_Al · (T_f − 95) + m_a · c_a · (T_f − 20) = 0 0,3 · 897 · (T_f − 95) + 0,25 · 4 181 · (T_f − 20) = 0 269,1 (T_f − 95) + 1 045,25 (T_f − 20) = 0 269,1 T_f − 25 564,5 + 1 045,25 T_f − 20 905 = 0 1 314,35 T_f = 46 469,5 T_f ≈ 35,4 °C

Parte 4

10. Las partículas de un sólido vibran alrededor de posiciones fijas, mantenidas por las fuerzas de atracción entre ellas. Al calentar, las partículas reciben energía y vibran con mayor amplitud, ocupando en promedio más espacio. La distancia media entre partículas crece y, en conjunto, el sólido dilata su volumen (aunque la masa no varíe). Por eso disminuye su densidad al calentarse.