FISICA II

UNIDAD DE COMPETENCIA 2

DISTINGUE ENTRE CALOR Y TEMPERATURA

1. Calor: Es energía en tránsito y siempre fluye de objetos o sistemas de mayor temperatura a los de menor temperatura. también se puede definir como la transferencia de energía de una parte a otra, de un objeto o entre objetos o sistemas de mayor temperatura a los de menor temperatura, hasta que alcancen la misma temperatura (equilibrio térmico).

Temperatura: es la magnitud física que indica que tan caliente o fría está una sustancia u objeto respecto a un objeto que se toma como base o patrón. Es una propiedad intensiva ya que no depende de la cantidad de materia que un objeto o sistema, ni de su naturaleza, sino del ambiente en que se encuentre dicho objeto o el sistema físico. El valor de la temperatura que tiene una sustancia depende de la energía cinética promedio de sus moléculas, por ello en el cero absoluto (0° K), la energía cinética traslacional de las moléculas vale cero. Para medir la temperatura se emplean los termómetros que pueden ser de mercurio, de alcohol, de resistencia o de tolueno y éteres de petróleo.

2. Diferentes escalas de temperaturas y sus unidades:

El alemán Gabriel Fahrenheit, soplador de vidrio y fabricante de instrumentos, construyó en 1714 el primer termómetro. Para ello, lo colocó a la temperatura más baja que pudo obtener, mediante una mezcla de hielo y cloruro de amonio, marcó el nivel que alcanzaba el mercurio; después, al registrar la temperatura del cuerpo humano volvió a marcar el termómetro y entre ambas señales hizo 96 divisiones iguales. Más tarde observó que, al colocar su termómetro en una mezcla de hielo en fusión y agua, registraba una lectura de 32° F y al colocarlo en agua hirviendo leía 212° F.

En 1742, el biólogo sueco Andrés Celsius basó su escala en el punto de fusión del hielo (0° C) y en el punto de ebullición del agua (100° C) a la presión de una atmósfera, o sea 760 mm de Hg, es decir dividió su escala en 100 partes iguales, cada una de 1° C.

Años después, el inglés William Kelvin propuso una nueva escala de temperatura , en la cual el cero corresponde a lo que tal vez sea la menor temperatura posible llamada cero absoluto, en esta temperatura la energía cinética de las moléculas es cero. El tamaño de un grado de la escala Kelvin es igual al de un grado Celsius y el valor de cero grados en la escala de Celsius equivale a 273°K. Cuando la temperatura se da en Kelvin se dice que es absoluta y ésta es la escala aceptada por el Sistema Internacional de Unidades (SI).

3. Equivalencias entre las escalas de temperaturas

° K=° C+273 ° C=° K−273 ° F=1.8 °C+32 °C= ° F−321.8

4. Transformar:

1) 50° C a °K=

2) 120 ° C a °K=

4) 210° K a ° C=

5) 60° C a ° F=

7) 50° F a ° C=

8) 130° F a ° C=

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FISICA II

3) 380 ° K a ° C = 6) 98° a ° F= 9) 80 °F a ° C=

5. Mecanismos por medio de los cuales el calor se transmite de un cuerpo a otro:

Conducción: Es la forma de transmisión del calor en objetos sólidos. Esta se debe a la agitación que el calor produce entre las moléculas de un objeto y que se transfiere en forma sucesiva de una a otra molécula, sin que estas partículas adquieran energía cinética traslacional. Cuando un extremo de una varilla metálica se pone en el fuego, al cabo de cierto tiempo, el otro extremo también se calienta, pues las moléculas del extremo calentado se agitan y vibran con mayor intensidad, es decir, con mayor energía cinética. Una parte de de esa energía se transmite a las moléculas cercanas, poniéndolas a vibrar, para que a su vez transmitan su exceso de energía a las contiguas; así su temperatura aumenta y se distribuye de manera uniforme a lo largo de la varilla. Esta transmisión de calor continuará mientras exista una diferencia de temperatura entre los extremos, y cesará por completo cuando sea la misma en todas partes. En el vacío no se propaga el calor por conducción.

Convección: El calentamiento en los líquidos y gases se da por convección. La convección es la corriente que se establece entre dos puntos de una masa fluida cuando existe entre ellos una diferencia de temperatura. Al poner agua en un vaso de precipitados y calentarla después, se observa que una vez transcurrido cierto tiempo comienza un movimiento en el seno (parte interna) del líquido. Ello se debe a que el líquido del fondo, al recibir calor, incrementa su temperatura y se dilata, esto es, aumenta su volumen; en consecuencia, disminuye la densidad de esa porción, por lo que sube a la superficie y es reemplazada por agua más fría y con mayor densidad. Este proceso se repite con la circulación de masas de agua más caliente hacia arriba y las de agua más fría hacia abajo, provocándose las llamadas corrientes de convección. El agua, los líquidos en general, y en especial los gases, son malos conductores del calor. Las corrientes de convección son la base de los sistemas de calefacción por agua y aire usados en algunos hogares y oficinas. En la atmósfera, las corrientes de convección son muy notables y son la causa de la existencia del viento.

Radiación: Es la propagación del calor por medio de ondas electromagnéticas esparcidas incluso en el vacío, a una magnitud de velocidad aproximada de 300 mil km/s. El calor que nos llega del sol es por radiación, pues las ondas caloríficas atraviesan el vacío existente entre la Tierra y el Sol. A las ondas caloríficas también se les llama rayos infrarrojos, en virtud de que su longitud de onda es menor si se compara con la del color rojo. Todos los objetos calientes emiten radiaciones caloríficas, es decir, ondas electromagnéticas de energía proporcional a su temperatura. Seguramente has notado que cuando te acercas a una persona que ha estado haciendo ejercicio, recibes calor pro radiación, ya que tienes una menor temperatura. Un trozo de hielo a 0° C también emite radiaciones caloríficas, siempre y cuando se encuentre con otro objeto a menor temperatura, por ejemplo, un trozo de hielo a -20° C.

Ver video

6. Actividad Experimental: La densidad como motor del agua.

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Materiales: Colorante vegetal para alimentos, agua caliente, hielo, Un frasco pequeño, Una tuerca y un recipiente transparente grande.Procedimiento: Haz unos cubos de hielo azules añadiendo colorante vegetal al agua antes de meterla al congelador. Por otro lado calienta agua y ponle unas gotas de colorante rojo. Coloca el agua caliente y una tuerca o tornillo en el frasquito, sumérgelo destapado en un recipiente transparente grande que contenga agua, pon el hielo de color azul también en el mismo recipiente y observa:

¿Qué sucede? _________________________________________________________

¿Cómo lo explicas? _____________________________________________________

_____________________________________________________________________

El agua cuando se calienta se expande, así ocupa más espacio con la misma cantidad de agua (es decir se hace más ligera) y asciende. Curiosamente el hielo flota en el agua por lo mismo, ya que cuando se congela se expande y se vuelve menos denso que el agua misma. Cuando el hielo se derrite el agua sigue estando fría y es más densa que el agua que la rodea por lo que se sumerge. El agua tiene su mayor densidad a 4 ºC, cuando aumenta o disminuye su temperatura el agua se expande y es menos densa.El papel que juega la convección (cuando se transmite el calor por el movimiento de un fluido) en el clima es muy importante. Por convección se generan los vientos y las corrientes oceánicas. El movimiento de las aguas oceánicas a nivel global se da, en parte, por el ascenso de aguas calientes y el descenso de aguas frías, trasladando así grandes cantidades de calor. El Gran Transportador Oceánico es la principal corriente oceánica; las aguas calientes que vienen del ecuador y los trópicos viajan hacia el Atlántico Norte, esto permite que una corriente oceánica cálida se ponga en contacto con la Europa occidental. Esto explica que países que están a la misma latitud tengan distinto clima, así Inglaterra es menos fría que Canadá oriental, y Rusia más fría que Escocia.

7. Ejercicio de Calor y Temperatura

1) Realiza las siguientes conversiones:

a) 10°C= __________°Fb) 202°F= _________°Cc) 55°F= __________°K

d) 212°K=__________°Fe) -12°C= __________°Ff) 92°C= ___________°F

g) 212°F=__________°Ch) 273°K=__________°Ci) 87°K =__________°F

2) Completa: El calor es: _________________________________________________. La temperatura es: __________________________________________. El equilibrio térmico es: ______________________________________________________.

3) Realiza una lectura sobre formas de transmisión de calor, y completa los espacios en blanco con las palabras: conducción, ondas, sólidos, gases, calor, térmica, rayos, movimiento, energía, radiación, convección, transmisión, electromagnéticas, objetos, líquidos, infrarrojos.En _______________ y _____________ la transmisión de _____________ ocurre por medio de corrientes de _____________________. Cuando se calienta, el fluido asciende y el espacio que deja es ocupado por fluido frío. O sea que las moléculas con mayor energía ______________ son las que ascienden, provocando esta corriente que mantiene al fluido en _______________.

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La _________________ de calor por ____________________ se debe a que el calor incrementa la vibración de las moléculas del objeto, la cual se propaga por todo el cuerpo. Este tipo de transmisión de calor se lleva a cabo en los ________________ ________________.

El calor también se transmite por _______________, es decir, en forma de _______________

____________________ capaces de recorrer el vacío. La __________________ térmica radiada por un cuerpo se transforma en radiaciones caloríficas llamados _____________ ________________.

4) Haz un dibujo que ilustre cada una de las formas de transmisión de calor. Escribe entre los paréntesis una sola palabra que la describa: ondas, contacto, corrientes.

8. Dilatación de los objetos:

Dilatación Lineal: Es el aumento de longitud que experimenta cualquier sólido al elevarse su temperatura.

Lf=L0 [1+α (T f−T 0 ) ]

Donde Lf=Longitud final, Lo=Longitud inicial, α=Coeficiente de dilatación lineal, Tf=Temperatura Final y T0=Temperatura Inicial

Dilatación Superficial: Es el incremento de área o superficie que experimenta un objeto de determinada sustancia al elevarse su temperatura.

A f=A0 [1+γ (T f−T0 ) ]

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Conducción( )

Radiación( )

Convección( )

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Dilatación cúbica o volumétrica: Implica el aumento en las dimensiones de un objeto: largo, ancho y alto, lo que significa un incremento de volumen.

V f=V 0 [1+β (T f−T 0 ) ] β=3α

9. Tablas de coeficientes de dilatación lineal, superficial y volumétrica

Sustancia Coeficiente de dilatación lineal α (1/°C)

Coeficiente de dilatación superficial γ (1/°C)

Coeficiente de dilatación cúbica β (1/°C)

Hierro 11.7 X 10-6 23.4 X 10-6 35.1 X 10-6

Aluminio 22.4 X 10-6 44.8 X 10-6 67.2 X 10-6

Cobre 16.7 X 10-6 33.4 X 10-6 50.1 X 10-6

Plata 18.3 X 10-6 36.5 X 10-6

Plomo 27.3 X 10-6 54.6 X 10-6

Níquel 12.5 X 10-6 25.0 X 10-6

Acero 11.5 X 10-6 23.0 X 10-6 34.5 X 10-6

Zinc 35.4 X 10-6

Vidrio 7.3 X 10-6 14.6 X 10-6 21.9 X 10-6

Mercurio 182 X 10-6

Glicerina 485 X 10-6

Alcohol etílico 746 X 10-6

Petróleo 895 X 10-6

Gases a 0 C 1/273

10. Problemas de dilatación:

1) A una temperatura de 15°C una varilla de hierro tiene una longitud de 5 m. ¿Cuál será la longitud al aumentar la temperatura a 25°C? ¿Cuál será su dilatación?

2) ¿Cuál es la longitud de un cable de cobre al disminuir la temperatura a 14°C, si con una temperatura de 42°C mide 416 m?

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3) A una temperatura de 17°C una ventana de vidrio tiene un área de 1.6 m2. ¿Cuál será su área final al aumentar su temperatura 32°C?

4) A una temperatura de 23°C una puerta de aluminio mide 2 m de largo y 0.9 m de ancho. ¿Cuál será su área final al disminuir su temperatura a 12°C?

5) Una barra de aluminio de 0.01 m3 a 16°C se calienta a 44°C. Calcular el volumen final y su dilatación cúbica.

6) Una esfera hueca de acero a 24°C tiene un volumen de 0.2 m3. Calcular que volumen final tendrá a −4 °C en m3 y en litros.

7) ¿Cuál será el volumen final de 2 litros de alcohol etílico si sufre un calentamiento de 18°C a 45°C? Diga también cuanto varió su volumen en litros y en cm3.

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8) A una temperatura de 15°C un matraz de vidrio con capacidad de 1 litro se llena de mercurio y se calientan ambos a 80°C. Calcular:a) ¿Cuál es la dilatación cúbica del matraz?b) ¿Cuál es la dilatación cúbica del mercurio?c) ¿Cuánto mercurio se derramará en litros y en centímetros cúbicos?

9) A una temperatura de 0°C un gas ocupa un volumen de 330 litros. Si se incrementa su temperatura a 50°C, calcular: a) ¿Cuál será su volumen final si su presión permanece constante?b) ¿Cuál será su dilatación cúbica?

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11. Problemas Propuestos de dilatación:

1) Un puente de acero de 100 m de largo a 8°C, aumenta su temperatura a 24°C. ¿Cuánto medirá su longitud?

2) ¿Cuál es la longitud de un riel de hierro de 50 m a 40°C, si desciende la temperatura a 6°C? ¿Cuánto se contrajo?

3) Una lámina de acero tiene un área de 2 m2 a una temperatura de 8°C. ¿Cuál será su área final al elevarse su temperatura a 38°C?

4) A una temperatura de 33.5°C un portón de hierro tiene un área de 10 m2. ¿Cuál será su área final al disminuir la temperatura a 9°C?

5) Un tubo de cobre tiene un volumen de .009 m3 a 10°C y se calienta a 200°C. Calcular: su volumen final y su dilatación cúbica en m3 y en litros.

6) Una barra de aluminio tiene un volumen de 500 cm3 a 90°C. Calcular:a) ¿Cuál será su volumen a 20°C?b) ¿Cuánto disminuyó su volumen?

7) Calcular el volumen final de 5.5 lts de glicerina si se calienta a 4°C a 25°C. Determine también la variación de su volumen en centímetros cúbicos.

8) Un tanque de hierro de 200 lts de capacidad a 10°C se llena totalmente de petróleo. Si se incrementa la temperatura de ambos hasta 38°C, calcular:a) ¿Cuál es la dilatación cúbica del tanque?b) ¿Cuál es la dilatación cúbica del petróleo?c) ¿Cuánto petróleo derramará en litros y en centímetros cúbicos?

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9) Un gas a presión constante y a 0°C ocupa un volumen de 25 lts. Si su temperatura se incrementa a 18°C, calcular: su volumen final y su dilatación cúbica.

12. Dilatación irregular del agua:

Cuando se tiene un gramo de agua a 0°C ocupa un volumen de 1.00012 cm3 pero si se calienta en lugar de dilatarse se contrae y a la temperatura de 4°C ocupa un volumen mínimo de 1.00000 cm3 y entonces alcanza su valor máximo de densidad. Si continúa el calentamiento, entonces comenzará a incrementar su volumen.

Debido a este fenómeno, durante el invierno, los peces y otras especies acuáticas pueden conservar la vida ya que el agua de la superficie de lagos y estanques disminuye su temperatura y a 4°C alcanza su mayor densidad, por lo que se va al fondo y es reemplazada por otra de mayor temperatura, estableciéndose así una circulación de agua hasta que toda el agua tiene una temperatura de 4°C.

En tu vida cotidiana observas este fenómeno al introducir un refresco al congelador para que se enfríe, pero si olvidas sacarlo a tiempo, verás que se congela el envase y se rompe debido a que el agua no se contrae al disminuir su temperatura, sino que aumenta su volumen al pasar de líquido a sólido, es decir, a hielo.

13. Capacidad Calorífica y Calor Específico de las sustancias

Si en un vaso con agua hirviendo se introducen dos cuerpos de masas iguales pero de sustancias diferentes, y después de un rato los sacamos y medimos sus temperaturas, encontraremos que no son iguales debido a que la capacidad calorífica de cada sustancia es diferente. Entonces,

Capacidad Calorífica: es la cantidad de energía calorífica o calor (ΔQ) que se requiere para elevar un grado Celsius la temperatura de un cuerpo (ΔT). Su fórmula es:

C=ΔQ /ΔT

El calor específico se define como la cantidad de calor que necesita una sustancia para elevar su temperatura un grado centígrado por unidad de masa. Es una propiedad

característica de la materia, ya que su valor posibilita diferenciar una sustancia de otra.

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El calor específico (Ce) de una sustancia es igual a la capacidad calorífica (C) de dicha sustancia entre su masa m:

Ce=Cm ; como C=∆Q

∆T , entonces Ce=∆Qm∆T

Para calcular la cantidad de calor (ΔQ) que requiere una sustancia para elevar su temperatura un valor ΔT, despejamos ΔQ y nos queda:

ΔQ=mCeΔT

14. Tabla de Calores Específicos:

Sustancia Ce en cal/g⁰C Ce en j/kg⁰CAgua 1.00 4200Hielo 0.50 2100Vapor 0.48 2016Hierro 0.113 475Cobre 0.093 391

Aluminio 0.217 911Plata 0.56 235Vidrio 0.199 826

Mercurio 0.033 139Plomo 0.031 130

15. Problemas de calor específico.1) ¿Qué cantidad de calor se debe aplicar a una barra de plata de 12 kg para que eleve

su temperatura de 22°C a 90°C.

2) 600 g de hierro se encuentran a una temperatura de 20°C. ¿Cuál será la temperatura final si se le suministran 8000 calorías?

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3) ¿Qué cantidad de calor se necesita suministrar a 500 g de agua para que aumente su temperatura de 10°C a 80°C?

4) ¿Cuántas calorías se deben suministrar para que un trozo de hierro de 0.3 kg eleve su temperatura de 20°C a 100°C?

5) Determinar el calor específico de una muestra metálica de 100 g que requiere 868 calorías para elevar su temperatura de 50°C a 90°C. Identifica de que sustancia se trata en base a la tabla 13.

6) Determinar la cantidad de calor que cede al ambiente una barra de plata de 600 g al enfriarse de 200°C a 50°C.

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FISICA II

Investiga la diferencia entre estado del tiempo y climaLos problemas propuestos de calor específico están en el apartado 19

Investiga cómo le disminuyen el dolor a los jugadores de fut cuando reciben un golpe.

16. El calor y las transformaciones del estado físico de la materia, calor latente de fusión y de vaporización:

Fusión: se presenta cuando una sustancia pasa de sólido a líquido.Solidificación: es el cambio de estado de una sustancia al pasar de líquido a sólido.Vaporización: es el cambio de estado de agregación de una sustancia al pasar de líquido a gaseoso.Sublimación: es el cambio de estado en el que un sólido pasa a gaseoso sin pasar por el estado líquido o viceversa.

Cuando una sustancia se funde o se evapora absorbe cierta cantidad de calor llamada calor latente, este término significa oculto, pues existe aunque no se incremente su temperatura.

Calor latente de fusión: es la cantidad de calor que requiere esta para cambiar 1g de sólido a 1 g de líquido sin variar su temperatura.

λ f=Qm

donde λ f= calor latente de fusión en cal/g, Q=calor suministrado en calorías, m = masa de la sustancia en gr.

Calor latente de vaporización: es la cantidad de calor que requiere para cambiar 1g de líquido en ebullición a 1 g de vapor, manteniendo constante su temperatura.

λv=Qm

donde λv= calor de vaporización en cal/g; Q= calor suministrado en calorías, m=masa de la sustancia en gr.

17. Tabla de calor latente de fusión (a 1 atmósfera de presión).

Sustancia Calor latente de fusión en cal/g

Agua 80Hierro 6Cobre 42

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Plata 21Platino 27

Oro 16Mercurio 2.8

Plomo 5.9

18. Tabla de calor latente de vaporización (a 1 atmósfera de

presión).

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Sustancia Calor latente de vaporización en cal/g

Agua 540Nitrógeno 48

Helio 6Aire 51

Mercurio 65Alcohol etílico 204

Bromo 4419. Ejercicio para afianzar conceptos:

1) Coloca en el diagrama, sobre cada línea, la palabra correspondiente: vaporización, solidificación, condensación, sublimación, fusión.

2) Coloca en cada espacio la palabra correspondiente. ¡Las palabras resaltadas se repiten!: capacidad calorífica, cristalización, latente, ebullición, evaporación, calor, congelación, fusión, específico.

A la vaporización también se le llama _______________________

La solidificación también recibe el nombre de ___________________ o ___________________

Para hacer que una sustancia cambie de estado, se requiere aplicar cierta cantidad de calor, llamado _________________ __________________.

El __________________ _________________ de ___________________ es la cantidad de calor necesaria para pasar del estado sólido al líquido (y viceversa).

El __________________ _________________ de ___________________ es la cantidad de calor necesaria para pasar del estado líquido al gaseoso (y viceversa).

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GAS

LIQUIDO

SÓLIDO

FISICA II

El ________________ __________________ es la cantidad de calor que necesita una sustancia para elevar su temperatura un grado centígrado por unidad de masa.

El ________________ __________________ es la cantidad de calor que necesita una sustancia para elevar su temperatura un grado centígrado Celsius.

20. Calor cedido (perdido) o absorbido por los objetos.La calorimetría es la parte de la termodinámica que se encarga de medir el calor. El principio fundamental de la calorimetría es la conservación de la energía. Cuando un objeto caliente se pone en contacto con uno frío, existe un desequilibrio térmico y por tanto se producirá una transferencia de calor del objeto caliente al frío hasta que igualen su temperatura.

En un intercambio de calor, la cantidad del mismo permanece constante ya que el calor transmitido por uno o más objetos calientes será el mismo que reciba uno o más objetos fríos. Esto da origen a la Ley de Intercambio de Calor, que señala que en cualquier intercambio de calor efectuado el calor cedido o perdido es igual al calor absorbido o ganado.

Calor cedido o perdido = Calor absorbido o ganadoQ perdido = Q ganadoΔ Δ

Q=mCe TΔ Δ

Equilibrio Térmico: Es cuando dos objetos o sistemas en contacto térmico se encuentran a la misma temperatura.

Investiga cómo funciona un refrigerador

Investiga ¿qué es la inversión térmica?

21. Problemas de Calor Cedido y Absorbido por los objetos:

1) Se tienen 500 g de agua a 80°C y se combinan con 500 g de agua a 40°C, calcular cual es la temperatura final de la solución.

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2) Un trozo de hierro de 316.93 g se pone a calentar en un vaso de precipitados con agua hasta que alcanza una temperatura de 90 °C. Se introduce inmediatamente en el recipiente interior del calorímetro de aluminio cuya masa es de 150 g que contiene 300 g de agua a 18°C. Se agita la mezcla y la temperatura aumenta hasta 25°C. ¿Cuál es el calor específico del hierro?

3) Se introducen 140 g de una aleación a una temperatura de 93°C en un calorímetro de aluminio de 50 g que contiene 200 g de agua a 20°C. Calcule el calor específico de la aleación.

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4) Determinar cuál es la temperatura final de 900 g de agua a 17°C contenida en un calorímetro de aluminio que tiene una masa de 300 g, después de introducir en ella un trozo de plomo de 400 g previamente calentado a 100°C.

5) Una barra caliente de cobre cuya masa es de 1.5 kg se introduce en 4 kg de agua, elevando la temperatura de 18°C a 28°C. ¿qué temperatura tienen la barra de cobre?

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22. Problemas Propuestos calor específico:1) ¿Qué cantidad de calor se debe aplicar a un trozo de plomo de 850 g para que eleve

su temperatura de 18°C a 120°C.2) La temperatura inicial de una barra de aluminio de 3 kg es de 25°C. ¿Cuál será su

temperatura final si al ser calentada recibe 12000 calorías?3) ¿Qué cantidad de calor necesitan 60 g de agua para que su temperatura aumente de

25°C a 100°C?4) Determinar las calorías requeridas por una barra de cobre de 2.5 kg para que su

temperatura aumente de 12°C a 300°C.5) Determina el calor específico de una muestra metálica de 400 g si al suministrarle 620

calorías aumentó su temperatura de 15°C a 65°C. Identifica la sustancia.6) 2kg de agua se enfrían de 100°C a 15°C. ¿Qué cantidad de calor cedieron al

ambiente?

23. Problemas Propuestos de calor Cedido o absorbido por los objetos.

1. Se tienen 1,000 g de agua a 90°C y se combinan con 1,000 g de agua a 60°C. Calcular la temperatura final de la solución.

2. Una barra de plata de 335.2 g con una temperatura de 100°C se introduce en un calorímetro de aluminio de 60g de masa que contiene 454 g de agua a 23°C. Se agita la mezcla y la temperatura se incrementa hasta 26°C. ¿Cuál es el calor específico de la plata?

3. Un calorímetro de aluminio de 55 g de masa contiene 300 g de agua a una temperatura de 21°C, Si en él se introdujeron 160 g de una aleación de 85°C, ¿Cuál es su calor específico si la temperatura del agua se incrementó hasta 25°C?

4. Un recipiente de aluminio de 150 g contiene 200 g de agua a 10°C. Determinar la temperatura final del recipiente y del agua, si se introduce en esta un trozo de cobre de 60g a una temperatura de 300°C.

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5. Determinar la temperatura a la que se calentó una barra de hierro de 3Kg, si al ser introducida en 2 Kg de agua a 15°C eleva la temperatura de ésta hasta 30°C.

UNIDAD DE COMPETENCIA 3

COMPRENDE LAS LEYES DE LA ELECTRICIDAD

1. Antecedentes históricos de la Electricidad.

La palabra electricidad proviene del vocablo griego elektron, que significa ámbar, que es una resina fósil transparente, de color amarillo, producida en tiempos muy remotos por árboles que actualmente son carbón fósil.

Actividad 1: Consulta las biografías de los siguientes científicos, y escribe sus aportaciones más importantes en el estudio de la electricidad: Tales de Mileto, Otto Guericke, Pieter van Musschenbroek, Benjamín Franklin, Charles Coulomb, Alessandro Volta, George Ohm, Michael Faraday, James Joule, Joseph Henry, Nikola Tesla, Joseph Thompson y James Maxwell.

2. Carga Eléctrica y unidad de medida en el Sistema Internacional.

Toda la materia es decir cualquier tipo de objeto se compone de átomos y éstos de partículas elementales como los electrones y los protones. La carga eléctrica es una propiedad que tienen los electrones y los protones. La carga del electrón es -1.6X10-19 C y la carga del protón es 1.6X10-19 C, un mismo valor pero diferente signo.La carga eléctrica la adquiere un objeto cuando gana o pierde electrones ya sea por frotamiento, contacto o inducción. La unidad de medida de la carga eléctrica en el sistema internacional es el Coulomb (C).

3. Interacción de cargas de igual o diferente signo:

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Cargas del mismo signo se repelen Cargas de signo contrario se atraen.

FISICA II

4. Formas de electrizar los objetos:

Carga por frotamiento: Se produce al frotar una superficie, y los objetos cargados por frotamiento quedan con cargas opuestas.Carga por contacto: Se produce cuando un cuerpo con exceso de electrones (cargado) cede algunos de estos al tocar otro cuerpo.Carga por inducción: Se produce cuando un cuerpo se carga eléctricamente al acercarse a otro ya cargado.5. Formas de descargar un objeto eléctricamente: Cuando se desea descargar un objeto, solo se necesita ponerlo en contacto con el suelo o, como se dice comúnmente, hacer tierra.

6. Ley de Coulomb.

Señala que la magnitud de la fuerza eléctrica ya sea de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (q1 y q2) es directamente proporcional al producto de dichas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) que las separa. Su expresión matemática es:

F=(kq1q2)/r2

Esta ecuación sólo es válida si las cargas eléctricas se encuentran en el vacío o en forma aproximada si están en el aire, pero si hay entre las cargas una sustancia, la magnitud de la fuerza eléctrica será menor.

7. Permitividad Relativa:

La relación que existe ente la fuerza eléctrica de dos cargas en el vacío y la fuerza eléctrica de estas mismas cargas sumergidas en algún medio o sustancia aislante recibe el nombre de permitividad relativa o coeficiente dieléctrico de dicho medio o sustancia, y se representa εr, y:

r = F / F'ε

donde F = Fuerza eléctrica entre las cargas en el vacío en newtons (N) y F´= Fuerza eléctrica entre las mismas cargas colocadas en el medio en newtons (N).

8. Tabla de Premitividad Relativa de algunos medios

Medio Aislador Permitividad relativa εr

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Vacío 1.0000Aire 1.0005Gasolina 2.35aceite 2.8Vidrio 4.7Mica 5.6Glicerina 45Agua 80.5

9. Problemas de la Ley de Coulomb y Permitividad Relativa.

1) Calcular la magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cargas cuyos valores son q1=2 milicoulombs, q2=4 milicoulombs, al estar separadas en el vacío por una distancia de 30 cm.

2) Determinar la magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cargas cuyos valores son q 1=−¿3 microcoulombs, q2= 4 microcoulombs, al estar separadas en el vacío por una distancia de 50 cm.

3) Una carga de −¿3 nanocoulombs se encuentra en el aire a 0.15 m de otra carga de −¿4 nanocoulombs. Calcular la magnitud de la fuerza eléctrica entre éstas y la magnitud de la fuerza eléctrica si éstas se encontraran sumergidas en aceite.

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q2q1

FISICA II

4) Una carga eléctrica de 2 µC se encuentra en el aire a 60 cm de otra carga. La magnitud de la fuerza con la cual se rechazan es de 3X10-1 N. ¿Cuál es el valor de la carga desconocida?

5) Una carga de 5 µC se encuentra en el aire a 20 cm de otra carga de −¿2 µC como se aprecia a continuación:

+ −¿

a) ¿Cuál es la magnitud de la fuerza F1 ejercida por q2 sobre q1?b) ¿La magnitud de la fuerza F2 ejercida por q1 sobre q2 es igual o diferente de F1?c) ¿Cuál será la magnitud de la fuerza eléctrica entre las cargas si estuvieran

sumergidas en agua?

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F1 F2

20 cm

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6) Determine la distancia a la que se encuentran dos cargas eléctricas de 7X10 -8 C, al rechazarse con una fuerza cuya magnitud es de 4.41X10-3 N.

7) En un átomo de hidrógeno, un electrón gira alrededor de un protón en una órbita de radio igual a 5.3X10-11 m. ¿con que magnitud de fuerza eléctrica se atraen el protón y el electrón?

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FISICA II

8) Una carga q1=2 µC se encuentra a una distancia de 20 cm de otra carga q3=8 µC como se ve en la figura. Determinar la magnitud de la fuerza resultante y su sentido sobre la carga q2=−¿4 µC al ser colocada en medio de las otras dos cargas.

9) Una carga q1=−3 µC recibe una fuerza de atracción debido a dos cargas q2=8 µC y q3=7 µC que se encuentran distribuidas como señala la siguiente figura. Determinar la magnitud de la fuerza eléctrica resultante que actúa sobre q1, así como el ángulo que forma respecto al eje horizontal.

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+ +-q1=2µC q3=8µCq2=-4µC

10 cm20 cm

+

+-

q3=7µC

q2=8µCq1=-3µC

0.5

m

0.5 m

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10. Ejercicios propuestos de la Ley de Coulomb y Permitividad Relativa:

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11. Campo Eléctrico e Intensidad del Campo Eléctrico:

Es la zona que rodea a toda carga eléctrica es por ello que las cargas de diferentes signo se atraen y las de igual signo se repelen aun cuando se encuentren separadas.El campo eléctrico es invisible pero su fuerza ejerce acciones sobre las cargas eléctricas por ello es fácil detectar su presencia así como medir su intensidad.La intensidad del campo eléctrico de una carga (E) es una magnitud vectorial y su magnitud disminuye cuando aumenta la distancia que hay del lugar en que se localiza la carga eléctrica.La intensidad del campo eléctrico se determina mediante el cociente entre la fuerza (F) que recibe una carga de prueba (q) que se localiza en un determinado punto del espacio. Su expresión matemática es:

E= Fq

= kqr 2

Configuración del campo eléctrico producido por una carga puntual

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FISICA II

Configuración del campo eléctrico producido por dos cargas del mismo signo

Configuración del campo eléctrico producido por dos cargas de diferente signo

12. Problemas de Intensidad de Campo Eléctrico:

1) Una carga de prueba de 3X10-7 C recibe una fuerza horizontal hacia la derecha de 2X10-4 N. ¿Cuál es la magnitud de la intensidad del campo eléctrico en el punto donde está colocada la carga de prueba?

2) Una carga de prueba de 2 µC se sitúa en un punto en el que la intensidad del campo eléctrico tiene una magnitud de 5X102 N/C. ¿Cuál es la magnitud de la fuerza que actúa sobre ella?

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FISICA II

3) Calcular la magnitud de la intensidad del campo eléctrico a una distancia de 50 cm de una carga de 4 µC.

4) La intensidad del campo eléctrico producido por una carga de 3 µC en un punto determinado tiene una magnitud de 6X106 N/C. ¿A qué distancia del punto considerado se encuentra la carga?

5) Una esfera metálica, cuyo diámetro es de 20 cm, está electrizada con una carga de 8µC distribuida uniformemente en su superficie. ¿Cuál es la magnitud de la intensidad del campo eléctrico a 8 cm de la superficie de la esfera?

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6) Calcular la magnitud de la intensidad del campo eléctrico en el punto medio P entre dos cargas puntuales cuyos valores son q1=6 µC y q2=4 µC, separadas a una distancia de 12 cm como se muestra a continuación.

13. Problemas Propuestos de Intensidad de Campo Eléctrico:

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+ +Pq1=6µC q2=4µC

6 cm 6 cmE2 E1

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14. Corriente Eléctrica:

Es un movimiento o flujo de cargas negativas es decir, electrones a través de un conductor para que se produzca debe existir una energía eléctrica misma que se obtiene de pilas, acumuladores o generadores eléctricos.

Tipos de corriente eléctrica:a) Corriente continua o directa , en ella los electrones fluyen en un solo sentido, de negativo a positivo.b) Corriente Alterna , en ella los electrones oscilan a uno y otro lado del conductor con una frecuencia de 60 ciclos/segLos principales efectos de la corriente eléctrica son calorífico (efecto joule), magnético (motores) y luminoso (focos y lámparas).

El valor de la intensidad de la corriente eléctrica se mide en la unidad llamada ampere (A) 1A=1Coulomb/seg

15. Resistencia eléctrica:

Es la oposición que presenta un conductor al paso de la corriente o flujo de electrones. Su unidad de medida es el Ohm(Ω). 1Ω=1V/1A

Los factores que influyen en el valor de la resistencia eléctrica son:

La naturaleza del conductor: Si tomamos alambres de la misma longitud y sección transversal de plata, cobre y hierro se puede verificar que la plata tiene una resistencia menor, le sigue el cobre y al final el hierro. Longitud: ya que a mayor longitud del conductor se tiene mayor resistencia. Sección o Área transversal: Si se duplica el área se reduce la resistencia a la mitad. Temperatura: En los metales, la resistencia aumenta de manera directamente proporcional a su temperatura, se exceptúan los semiconductores que la disminuyen.

16. Ley de Ohm:

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La intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial (voltaje) aplicado en sus extremos, e inversamente proporcional a la resistencia del conductor.

Su expresión matemática es: I=VR

La ley de Ohm tiene algunas limitaciones ya que:

Se puede aplicar a los metales (mismos que reciben el nombre de conductores óhmicos) pero no al carbón, pues su resistencia no permanece constante cuando se aplican voltajes diferentes. La resistencia cambia con la temperatura, ya que todos los materiales se calientan por el paso de la corriente eléctrica. Algunas aleaciones conducen mejor las cargas eléctricas (electrones) en una dirección que en otra.

17. Problemas de la Ley de Ohm:

1) Determinar la intensidad de corriente eléctrica a través de una resistencia de 30 Ω al aplicarle una diferencia de potencial de 90V.

2) Un tostador eléctrico tiene una resistencia de 15 Ω cuando está caliente. ¿Cuál será la intensidad de la corriente que fluirá al conectarlo a una línea de 120 V?

3) Un alambre conductor deja pasar 6 A al aplicarle una diferencia de potencial de 110 V. ¿Cuál es el valor de su resistencia?

4) Calcular la diferencia de potencial aplicada a una resistencia de 10Ω si por ella fluyen 5 A.

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5) Calcular la intensidad de la corriente que pasará por una resistencia de 20 Ω al conectarse a un acumulador de 12 V.

6) Determinar la resistencia del filamento de una lámpara para que deje pasar 0.6 A de intensidad de corriente al ser conectado a una diferencia de potencial de 120 V.

7) Por una resistencia de 10 Ω circula una corriente de 2 A. ¿Cuál es el valor de la diferencia de potencial a que está conectados sus extremos.

8) Calcular la resistencia de un conductor que al conectarse a una diferencia de potencial de 12 V. deja pasar una corriente de 90 miliamperes.

18. Circuitos Eléctricos: Su conexión puede ser en:

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Serie: Se caracteriza porque los elementos se conectan uno después de otro, el circuito se desconecta totalmente si se abre en cualquier punto, existe una misma cantidad de corriente en todos los elementos del circuito, la suma de la caída de voltaje de cada elemento es igual al voltaje total aplicado, su resistencia total o equivalente se calcula con la fórmula:

RT=R1+R2+…+Rn

Paralelo: Se caracteriza porque los elementos se conectan entre los dos alambres que conducen a la fuente de voltaje, la corriente total que se suministra es igual a la suma de la corriente en cada ramal, los elementos operan en forma independiente, si uno de los ramales se desconecta, los restantes seguirán funcionando, todos los ramales del circuito tienen el

mismo voltaje, la resistencia total o equivalente se calcula: 1RT

= 1R1

+ 1R2

+…+ 1Rn

Mixta: se presenta cuando las resistencias se agrupan tanto en serie como en paralelo: matemáticamente se resuelven al calcular parte por parte las resistencias equivalentes de cada conexión.

19. Problemas con Resistencias conectadas en serie, paralelo y mixtas:

1) Calcular la resistencia equivalente de tres resistencias cuyos valores son R1=2 Ω, R2=5Ω, R3=7 Ω conectadas a) en serie y b) paralelo

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2) Calcular el valor de la resistencia que se debe conectar en paralelo con una resistencia de 10Ω para que la resistencia equivalente del circuito se reduzca a 6 Ω.

3) Calcular la resistencia equivalente de cuatro resistencias cuyos valores son R1=10 Ω, R2=20 Ω, R3=25 Ω, R4=50 Ω conectadas a) en serie y b) paralelo. Dibujar su diagrama

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4) Dos focos, uno de 70 Ω y otro de 80Ω, se conectan en serie con una diferencia de potencial de 120 V. a) Representar el circuito eléctrico.b) Calcular la intensidad de corriente que circula por el circuito.c) Determinar la caída de voltaje o de tensión en cada resistencia.

5) Una plancha eléctrica de 60 Ω se conecta en paralelo a un tostador eléctrico de 90Ω, con un voltaje de 120 V. a) Representar el circuito eléctricob) Calcular la intensidad de corriente que circula por el circuito.c) Determinar la caída de voltaje o de tensión en cada resistencia.d) ¿qué valor tendrá la intensidad de la corriente que circula por cada resistencia?

6) Una serie formada por nueve focos de navidad con una resistencia de 20 Ω cada uno se conecta a un voltaje de 120V. Calcular:a) ¿Cuál es el valor de la resistencia equivalente?b) ¿Cuál es la intensidad de la corriente que circula por cada resistencia?c) ¿Qué valor tendrá la caída de tensión o caída de voltaje en cada uno de los focos?

7) Tres aparatos eléctricos de 8 Ω, 15 Ω, 20 Ω se conectan en paralelo a una batería de 60 V.a) Representar el circuito eléctrico.b) Calcular el valor de la resistencia equivalente.c) Determinar el valor de la corriente total suministrada por la batería.d) ¿Cuál es el valor de la corriente que circula por cada aparato?

8) En las figuras se muestran varios circuitos de conexiones mixtas de resistencias. Calcular para cada caso:a) La resistencia equivalente del circuito.b) La intensidad de la corriente total que circula por el mismo.

Caso 1: Caso 2:

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Caso 3: Caso 4:

20. Ejercicios Propuestos:

1) Calcular el valor de la resistencia equivalente de dos resistencias cuyos valores son: R1=15 Ω, R2=23Ω, conectadas primero en serie y luego en paralelo.

2) Calcular la resistencia equivalente de tres resistencias cuyos valores son R1=17 Ω, R2=12Ω, R3=25 Ω conectadas a) en serie y b) paralelo

3) Calcular el valor de la resistencia que se debe conectar en paralelo con una resistencia de 28Ω para que la resistencia equivalente del circuito se reduzca a 8 Ω.

4) Calcular la resistencia equivalente de cuatro resistencias cuyos valores son R1=3 Ω, R2=1 Ω, R3=4 Ω, R4=2 Ω conectadas en serie y luego en paralelo. Dibujar su diagrama.

5) Tres focos, uno de 40 Ω, 50 Ω y otro de 60Ω, se conectan en serie a una batería de 90 V, calcular:a) Representar el circuito eléctrico.b) Calcular la intensidad de corriente que circula por el circuito.c) La caída de tensión en cada resistencia.

6) De acuerdo con el circuito eléctrico representado en la siguiente figura calcular: a) La resistencia equivalente del circuitob) La intensidad total de la corriente que circula por el circuitoc) El valor de la intensidad de la corriente que circula por cada resistencia

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7) Una serie formada por siete focos de navidad con una resistencia de 30 Ω cada uno se conecta a un voltaje de 90V. Calcular:a) ¿Cuál es el valor de la resistencia equivalente?b) ¿Cuál es la intensidad de la corriente que circula por cada resistencia?c) ¿Qué valor tendrá la caída de tensión o caída de voltaje en cada uno de los focos?

8) Dibujar un circuito que represente tres resistencias de 19 Ω, 25 Ω y 30 Ω, respectivamente, conectadas en paralelo a una batería de 40V. Calcular:a) La resistencia equivalente del circuitob) La intensidad de la corriente suministrada por la bateríac) El amperaje que circula por cada resistencia

9) En cada una de las siguientes conexiones mixtas de resistencias, determinar:

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21. Potencia eléctrica: Es la rapidez con que un dispositivo eléctrico realiza un trabajo, también se interpreta como la energía que consume una máquina o cualquier dispositivo eléctrico en un segundo. Se mide en Watts (W), su expresión matemática es: P=VI , pero su

valor también se determina con las expresiones matemáticas: P=V2

R P=I 2R

22. Ejercicio:Con las biografías investigadas, completa escribiendo el nombre del científico a quien corresponde cada aportación en el estudio de la electricidad.___________________ Descubrió la manera de almacenar carga eléctrica al utilizar la llamada botella de Leyden._________________ Observó que al frotar el ámbar con una piel de gato, esta podía atraer algunos objetos ligeros como polvo, cabellos o paja._____________________ Construyó el primer electro imán.____________________ Estudió los fenómenos producidos por las corrientes eléctricas y el calor desprendido en los circuitos eléctricos.____________________ Inventó el electróforo, dispositivo que generaba y almacenaba electricidad estática. Elaboró la primera pila eléctrica del mundo.___________________ Observó que cuando un conductor con carga negativa terminaba en punta, los electrones se acumulan en esa región y, por repulsión, ocasionalmente abandonan dicho extremo. Un conductor cargado positivamente atrae a loa electrones por la punta, arrancándolos de las moléculas de aire cercanas. Aplicó estas propiedades para protección de edificios por medio de pararrayos.______________________ Inventó el motor asincrónico y estudioso de las corrientes polifásicas.__________________ Construyó la primera máquina eléctrica, cuyo principio de funcionamiento se basaba en el frotamiento de una bola de azufre que al girar producía chispas eléctricas. _____________________ Enunció la ley relativa al sentido de la corriente inducida.____________________ Describió la resistencia eléctrica de un conductor. Estableció la ley fundamental de las corrientes eléctricas, al encontrar una relación entre la resistencia de un conductor, la diferencia de potencial y la intensidad de corriente eléctrica._____________________ Propuso la teoría electromagnética de la luz y las ecuaciones generales del campo electromagnético. Investigó la estructura de la materia y de los electrones.

23. Coloca sobre la línea la palabra adecuada: ampere, circuito, campo, resistencia, resistividad, corriente, voltaje, ohm, watt, volt

La oposición al paso de la corriente es: ________________________

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La propiedad de cada material es: ____________________________El flujo de electrones es: ___________________________________El espacio que rodea una carga es: _______________________La energía entregada por una pila es: ______________________El arreglo de varios elementos por los que circula una corriente es: _________La unidad de diferencia de potencial es: ____________________La unidad de corriente es: ____________________La unidad de resistencia es: _____________________La unidad de potencia es: _______________________

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