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SOLUCIONARIO GUAS ESTNDAR ANUAL

Calor II: mezclas y cambios de

fase

SGUICES010CB32-A09V1

SOLUCIONARIO GUA

Calor II: mezclas y cambios de fase

tem Alternativa Defensa

1 A En la naturaleza, las sustancias se presentan en tres fases principales (slida, lquida y gaseosa). Por ejemplo, el hielo es la fase slida del agua, si se agrega energa se entrega movimiento a su estructura molecular, la cual se rompe para formar agua en estado lquido, tal proceso se denomina fusin. Si se agrega ms energa, el lquido pasa a fase gaseosa, tal proceso se denomina vaporizacin. La condensacin es el proceso contrario a la vaporizacin, es decir, el paso de una sustancia de estado gaseoso a lquido. La solidificacin es el proceso contrario a la fusin, es decir, el paso de una sustancia de estado lquido a slido. La sublimacin es el paso directo de una sustancia de slido a gas, sin pasar por el estado lquido. En vista de todo lo anterior, como el trozo de hielo pasa del estado slido al estado lquido, tal cambio de fase se denomina fusin.

2 C Al poner la ropa al sol, el agua que contiene pasa del estado lquido al estado gaseoso, tal cambio de fase se denomina vaporizacin.

3 C Considerando que todos los cuerpos son metlicos e idnticos, tendremos que: - Al interactuar los cuerpos A y B, la suma de ambas temperaturas se distribuye en partes iguales entre los dos cuerpos, es decir

A y B terminan, por lo tanto, con una temperatura de 4T cada uno.

- Al interactuar los cuerpos B y C, nuevamente la suma de ambas temperaturas se distribuir en partes iguales.

Por lo tanto, B y C quedan con 7T cada uno. As, al final del proceso, el cuerpo B termina con una temperatura igual a 7T.

4 B Como el trozo de azufre se encuentra a la temperatura crtica de fusin, todo el calor absorbido se utilizar para producir el cambio de fase. Para determinar qu cantidad de masa se fundir, se utiliza

el concepto de calor latente de fusin fQ

Lm

, con lo cual

tenemos:

650650

501313 ff

Q calQ

m gcalLL

g

Por lo tanto, solo 50 gramos de azufre se fundirn, el resto de la masa permanecer en estado slido.

5 C Tanto la parte la lquida como la slida tendrn la misma temperatura (119 C), ya que el calor suministrado no se utiliz para elevar la temperatura, sino para producir el cambio de fase.

6 C Para determinar el calor absorbido por la masa de agua a menor temperatura, utilizamos la siguiente expresin:

11

100

1 100 1 20

20

agua

absorbido

f

m g

calc

g C Q x

T C

T x

Para determinar el calor cedido por la masa de agua a mayor temperatura, utilizamos la siguiente expresin:

2

2

200

1200 1 80

80

agua

cedido

F

m g

calc

Q xg C

T C

T x

Finalmente, al utilizar el principio calorimtrico ( 0Q ),

tenemos:

100 1 20 200 1 80 0

100 2000 200 16000

300 18000

60

x x

x x

x

x C

7 D Al utilizar la ecuacin de mezclas, tenemos:

0agua agua final agua lquido lquido final lquidom c T T m c T T

200 1 (20 0) 250 (20 40) 0

200 1 20 250 20 0

4000 5000

4

5

lquido

lquido

lquido

lquido

c

c

c

calc

g C

8 E Cuerpo P calor especfico c

Cuerpo Q calor especfico 2c

Cuerpo R calor especfico c/3 Que una sustancia tenga mayor calor especfico que otra significa: que para una misma cantidad de masa necesita absorber ms calor para elevar, en la misma cantidad, la temperatura, que una sustancia de menor calor especfico. Por lo tanto, para que Q y R adquieran la misma

temperatura es necesario aplicar mayor cantidad de calor al cuerpo Q.

9 D Al aplicar la expresin de capacidad calrica (Q

CT

),

tenemos:

4000100

40

calC

C

10 B Para el proceso de variacin de temperatura del cuerpo, utilizamos la expresin de calor (Q m c T ), con lo cual

tenemos:

40004000

200 0,5200 40

40

Q calQ cal

m g cm T g C

T C

11 E Cuando dos cuerpos o sistemas se encuentran a distinta temperatura, el cuerpo ms caliente cede calor al ms fro, el cual lo absorbe. Este flujo de calor se mantiene hasta que ambos cuerpos igualan sus temperaturas. Este es el principio de equilibrio trmico y acta en muchsimas de las situaciones que vivimos a diario. De las alternativas propuestas en el ejercicio, la nica que no est relacionada con el equilibrio trmico es la E, ya que el hecho de que los fluidos calientes se eleven, responde a que, al calentarse, se hacen menos densos que el resto del fluido y, por lo tanto, tienden a flotar sobre l; es decir, los fluidos ms calientes flotan sobre los ms fros.

12 E El calor es energa en trnsito, que fluye desde un lugar ms caliente hacia otro ms fro, hasta que las temperaturas de ambos lugares se igualen, es decir, hasta que se alcance el equilibrio trmico. Al dejar la puerta abierta, el calor del interior de la casa de Alberto fluy hacia la atmsfera fra, hasta que las temperaturas se igualaron. El tamao de la estufa no tiene importancia, pues el flujo de calor hacia la atmsfera se produce mientras la puerta de la casa se encuentra abierta; la atmsfera es un foco trmico, por lo que puede absorber todo el calor que podamos generar, sin variar significativamente su temperatura. Por lo tanto, no importa el tamao de la estufa que utilicemos.

13 B Al utilizar la ecuacin de mezclas, tenemos:

0

200 1 20 300 0,66 ( 50) 0

200 4000 198 9900 0

398 13900

35

agua agua mezcla agua alcohol alcohol mezcla alcoholm c T T m c T T

x x

x x

x

x C

14 E El calor especfico es una propiedad caracterstica de cada sustancia y no depende del tamao de los cuerpos (masa). La capacidad calrica se define como la cantidad de calor que un cuerpo debe absorber o ceder, para elevar o disminuir, respectivamente, su temperatura en 1 [C], es caracterstica de cada cuerpo, depende de su naturaleza (calor especfico) y del tamao del cuerpo (masa), por ejemplo, una piscina con agua posee mayor capacidad calrica que un vaso con agua. La cantidad de calor liberada es directamente proporcional al calor especfico, a la masa y a la variacin de temperatura, por lo cual, si los cuerpos son del mismo material y se someten a la misma disminucin de temperatura, el cuerpo de mayor masa ceder mayor cantidad de calor. Por lo tanto: I) Falso II) Verdadero III) Verdadero

15 C Para el proceso de fusin del hielo, utilizamos la expresin

de calor latente de fusin fQ

Lm

, con lo cual tenemos:

1 100 80 8.000fQ m L cal

Por lo tanto, para transformar hielo a 0[ C] en agua a 0[ C] se deben suministrar 8.000[cal]. Para el proceso de variacin de temperatura del agua, utilizamos la expresin de calor (Q m c T ), con lo cual

tenemos:

2 100 1 20 2.000Q cal

Por lo tanto, para elevar la temperatura del agua de 0[ C] a 20[ C] se deben suministrar 2.000[cal]. Finalmente, la cantidad total de calor que se deben suministrar para realizar los dos procesos es 10.000 [cal].

16 E La capacidad calrica se define como la cantidad de calor que un cuerpo debe absorber o ceder, para elevar o disminuir, respectivamente, su temperatura en 1 [C]. Si el jarro contiene ms agua que el vaso, la cantidad de calor que necesitar para, por ejemplo, elevar su temperatura en 1 [C], ser mayor que aquella que necesitar el vaso y, por lo tanto, su capacidad calrica es mayor. Pero, cunto mayor? Sabemos que la capacidad calrica se expresa como Pero, adems, sabemos que Q m c T

Por lo tanto Es decir, la capacidad calrica depende de la masa del cuerpo y del calor especfico del material que lo conforma. Como las masas de agua contenidas en el jarro y el vaso

cumplen con que 5jarro vasom m

Entonces:

capacidad calrica del jarro capacidad calrica del vaso

5 5jarro agua vaso agua jarro vasom c m c C C

17 D El agua puede estar en estado slido o lquido a 0 [ C] y en estado lquido o gaseoso a 100 [C], ya que, a esas temperaturas ocurren los cambios de fase. Como en el encabezado se entrega la temperatura de ebullicin, la mxima temperatura que puede alcanzar el agua en estado lquido es de 100 [C], para una temperatura mayor se producir el cambio de fase, convirtindose el lquido en vapor. Por lo tanto: I) Verdadero II) Verdadero III) Falso

QC

T

Q m c TC m c

T T

18 A Del grfico se deduce que al aumentar de 400 a 800 caloras, la temperatura se mantiene constante en 60 [C], lo que indica que el aumento de calor suministrado se est utilizando para un cambio de fase. Como inicialmente la sustancia se encuentra en estado lquido, este cambio de fase corresponde a la ebullicin, por lo cual, la temperatura de ebullicin es 60 [C].

19 C La cantidad de caloras absorbidas por el lquido durante el cambio de fase, corresponden a aquellas en las cuales no hay aumento de temperatura, es decir, de 400 a 800 caloras. Por lo tanto, el lquido absorbi 400 [cal] durante el cambio de fase.

20 C Estando en su punto crtico, para que cada gramo del

lquido pueda cambiar de estado (de lquido a gas), se

deber entregar una cantidad de calor Q por unidad de

masa m, llamada calor latente de vaporizacin.

El calor latente de vaporizacin se expresa como: Por lo tanto, tenemos:

40020

20v

Q calL

m g

21 A Para el proceso de variacin de temperatura del acero, utilizamos la expresin de calor (Q m c T ), con lo cual

tenemos:

0,12

400 400 0,12 80 3.840

20

100

i

f

calc

g C

m g Q m c T cal

T C

T C

22 B Del encabezado, sabemos que el cuerpo se encontraba a una temperatura de D grados, la cual corresponda a su punto de fusin (o punto crtico de fusin), es decir, la temperatura a la cual el material puede comenzar a fundirse. Estando en ese punto, al agregar ms calor al material, este comienza a fundirse, pero durante el cambio

QL

m

de fase su temperatura permanece constante, por lo que, al terminar de fundirse, el vibranium lquido sigue a la misma temperatura que estaba al comenzar el cambio de fase, es decir, D grados. El punto crtico de un material es la temperatura a la cual puede producirse un cambio de fase, ya sea en un sentido o en el sentido inverso; por ejemplo, si la temperatura a la que el vibranium puede ser fundido es D grados, entonces, la temperatura a la que podr ser solidificado, nuevamente, tambin ser D grados. Estando en su punto crtico, es necesario entregarle al material una cantidad de calor extra por unidad de masa, llamada calor latente de cambio de fase, para que se produzca el cambio de fase. Por lo tanto, la cantidad de calor que se le entreg al vibranium para fundirse, deber ser la misma que se le extraiga, estando en el punto crtico, para revertir el cambio y lograr que se solidifique. Por lo tanto:

I) Falso

II) Falso

III) Verdadero

23 D Cada una de las superficies que se pone en contacto est formada por tomos, son estos y en particular sus electrones los que interactan entre s, chocando y produciendo interacciones de tipo electromagntico. La energa as disipada se manifiesta en calor.

24 B Es importante que, primero, recordemos que durante un cambio de fase, an cuando el material absorba o ceda calor, su temperatura permanece constante. En el grfico se observan dos intervalos en donde la temperatura permanece constante y, por lo tanto, el material cambia de fase: entre t1 y t2 y entre t3 y t4. As, y tomando en cuenta las tres fases principales de la materia (slida, lquida y gaseosa), podemos afirmar que el material se encontraba, inicialmente, en fase slida, sufriendo dos cambios de fase: a lquido y, finalmente, a gaseoso. De las leyes del cambio de fase, sabemos que un material debe alcanzar una temperatura especfica (llamada punto crtico) para poder cambiar de fase. En el grfico, se observan tres intervalos en donde la temperatura del material aumenta: entre t0 y t1 , entre t2 y t3 y entre t4 y t5. En

estos intervalos, el material se encuentra en una fase determinada, pero est elevando su temperatura. As, podemos decir que, entre t0 y t1, el material se encontraba en fase slida, pero absorbiendo calor y elevando su temperatura para licuarse. En t1 comienza a cambiar de fase, terminando completamente lquido en t2. El punto crtico de fusin del material es, por lo tanto, P [C]. A partir de ese momento, el lquido comienza a calentarse, elevando su temperatura hasta el instante t3, en donde comienza a transformarse en vapor y, por lo tanto, su temperatura vuelve a permanecer constante en R [C] (punto crtico de vaporizacin), mientras dura el proceso. En el instante t4, el material ya se encuentra completamente en estado gaseoso. A partir de ese momento, la temperatura comienza a aumentar y el vapor comienza a calentarse hasta llegar a la mxima temperatura de Q [C] en el instante t5. Por lo tanto:

I) Falso

II) Verdadero

III) Falso

25

B Sabemos que

QC

T

Por lo tanto

400[ ] 40040

10[ ] 10

R

R

R

Q cal calC

T C C

280[ ] 28040

7[ ] 7

L

L

L

Q cal calC

T C C

Por otro lado, sabemos que

Cc

m

Por lo tanto, el calor especfico de R es

40 402

20 20[ ]

R

R

R

calC cal

cCg C

m g

Como sabemos, el calor especfico se define como

C Cc m

m c

An cuando conocemos la capacidad calrica de L, LC ,

para determinar su masa necesitamos conocer el calor especfico, dato que no tenemos. Por lo cual, no podemos concluir nada al respecto. Por lo tanto:

I) Verdadero

II) Verdadero

III) Falso

tem Alternativa Habilidad

1 A Reconocimiento

2 C Reconocimiento

3 C Aplicacin

4 B Aplicacin

5 C Comprensin

6 C Aplicacin

7 D Aplicacin

8 E ASE

9 D Aplicacin

10 B Aplicacin

11 E Comprensin

12 E Comprensin

13 B Aplicacin

14 E ASE

15 C Aplicacin

16 E Aplicacin

17 D Comprensin

18 A Comprensin

19 C Aplicacin

20 C Aplicacin

21 A Aplicacin

22 B Comprensin

23 D Reconocimiento

24 B ASE

25 B Aplicacin