Preguntas Conceptuales
1.1 Temperatura y equilibrio térmico
Dé un ejemplo en el que A tenga algún tipo de relación de equilibrio no térmico con B, y B tenga la misma relación con C, pero A no tenga esa relación con C.
1.2 Termómetros y escalas de temperatura
Si se deja que un termómetro esté en equilibrio con el aire, y un vaso de agua no está en equilibrio con el aire, ¿qué ocurrirá con la lectura del termómetro cuando se ponga en el agua?
Dé un ejemplo de una propiedad física que varía con la temperatura y describa cómo se utiliza para medir la temperatura.
1.3 Dilatación térmica
Verter agua fría en un utensilio de cocina de vidrio o cerámica caliente puede romperlo fácilmente. ¿Cuál es la causa de la rotura? Explique por qué el Pyrex®, un vidrio con un pequeño coeficiente de dilatación lineal, es menos susceptible.
Un método para conseguir un ajuste firme, por ejemplo de una clavija metálica en un agujero de un bloque metálico, es fabricar la clavija ligeramente más grande que el agujero. La clavija se inserta entonces cuando está a una temperatura diferente de la del bloque. ¿El bloque debe estar más caliente o más frío que la clavija durante la inserción? Explique su respuesta.
¿Sirve de algo pasar agua caliente sobre una tapa metálica hermética de un tarro de vidrio antes de intentar abrirlo? Explique su respuesta.
Cuando se coloca un termómetro de alcohol frío en un líquido caliente, la columna de alcohol baja ligeramente antes de subir. Explique por qué.
Calcule la longitud de una varilla de 1 metro de un material con coeficiente de dilatación térmica cuando la temperatura se eleva de 300 K a 600 K. Tome su respuesta como la nueva longitud inicial y calcule la longitud después de que la varilla se enfríe de nuevo a 300 K. ¿Su respuesta es 1 metro? ¿Debería serlo? ¿Cómo puede explicar el resultado que obtuvo?
Al notar las grandes tensiones que puede provocar la dilatación térmica, un inventor de armas aficionado decide utilizarla para fabricar un nuevo tipo de pistola. Planea atascar una bala contra una varilla de aluminio dentro de un tubo de invar cerrado. Al calentar el tubo, la varilla se expandirá más que el tubo y se acumulará una fuerza muy potente. Luego, mediante un método aún por determinar, abrirá el tubo en una fracción de segundo y dejará que la fuerza de la varilla lance la bala a gran velocidad. ¿Qué está pasando por alto?
1.4 Transferencia de calor, calor específico y calorimetría
Describa una situación en la que se produce transferencia de calor.
Cuando el calor se transfiere a un sistema, ¿la energía se almacena en forma de calor? Explique brevemente.
Los frenos de un automóvil aumentan su temperatura en al llevar el automóvil a reposo desde una velocidad v. ¿Cuánto mayor sería si el automóvil tuviera inicialmente el doble de velocidad? Puede suponer que el automóvil se detiene lo suficientemente rápido como para que no se transfiera el calor de los frenos.
1.5 Cambios de fase
Una olla a presión contiene agua y vapor de agua en equilibrio a una presión superior a la atmosférica. ¿Cómo esta mayor presión aumenta la velocidad de cocción?
Como se muestra a continuación, lo cual es el diagrama de fases del dióxido de carbono, ¿cuál es la presión de vapor del dióxido de carbono sólido (hielo seco) a (Note que los ejes de la figura no son lineales y el gráfico no está a escala).
¿Se puede licuar el dióxido de carbono a temperatura ambiente ()? Si es así, ¿cómo? Si no, ¿por qué no? (Vea el diagrama de fases en el problema anterior).
¿Cuál es la diferencia entre gas y vapor?
La transferencia de calor puede provocar cambios de temperatura y de fase. ¿Qué más puede causar estos cambios?
¿Cómo el calor de fusión latente del agua contribuye a ralentizar el descenso de la temperatura del aire e impide, quizás, que las temperaturas caigan significativamente por debajo de en las proximidades de grandes masas de agua?
Si coloca hielo a en agua a en un recipiente aislado, ¿cuál será el resultado neto? ¿Habrá menos hielo y más agua líquida, o más hielo y menos agua líquida, o se mantendrán las mismas cantidades?
¿Qué efecto tiene la condensación en un vaso de agua helada sobre la velocidad de fusión del hielo? ¿La condensación acelerará el proceso de fusión o lo retrasará?
En Miami, Florida, que tiene un clima muy húmedo y numerosas masas de agua cercanas, es inusual que las temperaturas suban más de (). Sin embargo, en el clima desértico de Phoenix, Arizona, las temperaturas superan esa cifra casi todos los días de julio y agosto. Explique cómo la evaporación del agua ayuda a limitar las altas temperaturas en climas húmedos.
En invierno, suele hacer más calor en San Francisco que en Sacramento, a 150 km hacia el interior. En verano, casi siempre hace más calor en Sacramento. Explique cómo las masas de agua que rodean San Francisco moderan sus temperaturas extremas.
Los alimentos liofilizados se han deshidratado al vacío. Durante el proceso, los alimentos se congelan y deben calentarse para facilitar la deshidratación. Explique cómo el vacío acelera la deshidratación y por qué los alimentos se congelan como consecuencia.
En una demostración en el aula de física un instructor infla un globo con la boca y luego lo enfría en nitrógeno líquido. Cuando está frío, el globo encogido tiene una pequeña cantidad de líquido azul claro en su interior, así como algunos cristales parecidos a la nieve. A medida que se calienta, el líquido hierve y parte de los cristales se subliman, con algunos cristales que permanecen durante un tiempo y luego producen un líquido. Identifique el líquido azul y los dos sólidos en el globo frío. Justifique sus identificaciones utilizando los datos de la Tabla 1.4.
1.6 Mecanismos de transferencia de calor
¿Cuáles son los principales métodos de transferencia de calor del núcleo caliente de la Tierra a su superficie? ¿Y de la superficie de la Tierra al espacio exterior?
Cuando nuestro cuerpo se calienta demasiado responde sudando y aumentando la circulación sanguínea hacia la superficie para transferir la energía térmica fuera del núcleo. ¿Qué efecto tendrán esos procesos en una persona en un jacuzzi a ?
A continuación se muestra un dibujo de corte de una botella termo (también conocida como frasco de Dewar), que es un dispositivo diseñado específicamente para ralentizar todas las formas de transferencia de calor. Explique las funciones de las distintas partes, como el vacío, el plateado de las paredes, el cuello de vidrio largo de paredes finas, el soporte de goma, la capa de aire y el tapón.
Algunas estufas eléctricas tienen una superficie plana de cerámica con elementos calefactores ocultos debajo. Una olla colocada sobre un elemento calefactor se calentará, mientras que la superficie que se encuentra a unos pocos centímetros de distancia es segura de tocar. ¿Por qué la cerámica, con una conductividad menor que la de un metal pero mayor que la de un buen aislante, es una opción ideal para la placa de la estufa?
La ropa blanca holgada que cubre la mayor parte del cuerpo, mostrada a continuación, es ideal para los habitantes del desierto, tanto en el caluroso sol como en las frías noches. Explique cómo esa ropa es ventajosa tanto de día como de noche.
Una forma de hacer que una chimenea sea más eficiente energéticamente es hacer que el aire de la habitación circule por el exterior de la caja de fuego y vuelva a la habitación. Detalle los métodos de transferencia de calor implicados.
En las noches frías y despejadas los caballos duermen al amparo de grandes árboles. ¿Cómo los ayuda esto a mantenerse calientes?
Al ver un circo durante el día en una carpa grande y de color oscuro se percibe una importante transferencia de calor desde la carpa. Explique por qué ocurre esto.
Los satélites diseñados para observar la radiación del espacio oscuro y frío (3 K) tienen sensores que están a la sombra del Sol, de la Tierra y de la Luna y se enfrían a temperaturas muy bajas. ¿Por qué los sensores deben estar a baja temperatura?
¿Por qué los termómetros que se utilizan en las estaciones meteorológicas están protegidos de la luz del sol? ¿Qué mide un termómetro si está protegido de los rayos del sol? ¿Qué mide si no es así?
Poner una tapa en una olla hirviendo reduce en gran medida la transferencia de calor necesaria para mantener el hervor. Explique por qué.
Su casa va a estar vacía durante un tiempo en el que hace frío, y quiere ahorrar energía y dinero. ¿Debe bajar el termostato al nivel más bajo que proteja la casa de daños como congelación de tuberías o dejarlo a la temperatura normal? (Si no le gusta volver a una casa fría, imagine que un temporizador controla el sistema de calefacción para que la casa esté caliente cuando vuelva). Explique su respuesta.
Usted sirve el café en una taza sin tapa, con la intención de beberlo 5 minutos después. Se puede añadir crema al servir la taza o justo antes de beberlo (la crema está a la misma temperatura de cualquier manera. Suponga que la crema y el café entran en equilibrio térmico entre sí muy rápidamente). ¿Qué manera le dará un café más caliente? ¿Qué característica de esta pregunta es diferente de la anterior?
Asar a la parrilla es un método de cocción por radiación que produce resultados algo diferentes a los de la cocción por conducción o convección. Una llama de gas o una resistencia eléctrica producen una temperatura muy alta cerca de los alimentos y por encima de ellos. ¿Por qué la radiación es el método de transferencia de calor dominante en esta situación?
En una fría mañana de invierno, ¿por qué el metal de una bicicleta se siente más frío que la madera de un porche?