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Física Universitaria Volumen 2

Problemas Adicionales

Física Universitaria Volumen 2Problemas Adicionales
  1. Prefacio
  2. Termodinámica
    1. 1 Temperatura y calor
      1. Introducción
      2. 1.1 Temperatura y equilibrio térmico
      3. 1.2 Termómetros y escalas de temperatura
      4. 1.3 Dilatación térmica
      5. 1.4 Transferencia de calor, calor específico y calorimetría
      6. 1.5 Cambios de fase
      7. 1.6 Mecanismos de transferencia de calor
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    2. 2 Teoría cinética de los gases
      1. Introducción
      2. 2.1 Modelo molecular de un gas ideal
      3. 2.2 Presión, temperatura y velocidad media cuadrática (rms)
      4. 2.3 Capacidad calorífica y equipartición de energía
      5. 2.4 Distribución de las velocidades moleculares
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 3 Primera ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 3.1 Sistemas termodinámicos
      3. 3.2 Trabajo, calor y energía interna
      4. 3.3 Primera ley de la termodinámica
      5. 3.4 Procesos termodinámicos
      6. 3.5 Capacidades térmicas de un gas ideal
      7. 3.6 Procesos adiabáticos para un gas ideal
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 4 Segunda ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 4.1 Procesos reversibles e irreversibles
      3. 4.2 Máquinas térmicas
      4. 4.3 Refrigeradores y bombas de calor
      5. 4.4 Enunciados de la segunda ley de la termodinámica
      6. 4.5 El ciclo de Carnot
      7. 4.6 Entropía
      8. 4.7 Entropía a escala microscópica
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  3. Electricidad y magnetismo
    1. 5 Cargas y campos eléctricos
      1. Introducción
      2. 5.1 Carga eléctrica
      3. 5.2 Conductores, aislantes y carga por inducción
      4. 5.3 Ley de Coulomb
      5. 5.4 Campo eléctrico
      6. 5.5 Cálculo de los campos eléctricos de las distribuciones de carga
      7. 5.6 Líneas de campo eléctrico
      8. 5.7 Dipolos eléctricos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    2. 6 Ley de Gauss
      1. Introducción
      2. 6.1 Flujo eléctrico
      3. 6.2 Explicar la ley de Gauss
      4. 6.3 Aplicación de la ley de Gauss
      5. 6.4 Conductores en equilibrio electrostático
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 7 Potencial eléctrico
      1. Introducción
      2. 7.1 Energía potencial eléctrica
      3. 7.2 Potencial eléctrico y diferencia de potencial
      4. 7.3 Cálculo del potencial eléctrico
      5. 7.4 Determinación del campo a partir del potencial
      6. 7.5 Equipotential Surfaces and Conductors
      7. 7.6 Aplicaciones de la electrostática
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 8 Capacitancia
      1. Introducción
      2. 8.1 Condensadores y capacitancia
      3. 8.2 Condensadores en serie y en paralelo
      4. 8.3 Energía almacenada en un condensador
      5. 8.4 Condensador con dieléctrico
      6. 8.5 Modelo molecular de un dieléctrico
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    5. 9 Corriente y resistencia
      1. Introducción
      2. 9.1 Corriente eléctrica
      3. 9.2 Modelo de conducción en metales
      4. 9.3 Resistividad y resistencia
      5. 9.4 Ley de Ohm
      6. 9.5 Energía eléctrica y potencia
      7. 9.6 Superconductores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    6. 10 Circuitos de corriente directa
      1. Introducción
      2. 10.1 Fuerza electromotriz
      3. 10.2 Resistores en serie y en paralelo
      4. 10.3 Reglas de Kirchhoff
      5. 10.4 Instrumentos de medición eléctrica
      6. 10.5 Circuitos RC
      7. 10.6 Cableado doméstico y seguridad eléctrica
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    7. 11 Fuerzas y campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 11.1 El magnetismo y sus descubrimientos históricos
      3. 11.2 Campos y líneas magnéticas
      4. 11.3 Movimiento de una partícula cargada en un campo magnético
      5. 11.4 Fuerza magnética sobre un conductor portador de corriente
      6. 11.5 Fuerza y torque en un bucle de corriente
      7. 11.6 El efecto Hall
      8. 11.7 Aplicaciones de las fuerzas y campos magnéticos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    8. 12 Fuentes de campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 12.1 La ley de Biot-Savart
      3. 12.2 Campo magnético debido a un cable recto delgado
      4. 12.3 Fuerza magnética entre dos corrientes paralelas
      5. 12.4 Campo magnético de un bucle de corriente
      6. 12.5 Ley de Ampère
      7. 12.6 Solenoides y toroides
      8. 12.7 El magnetismo en la materia
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    9. 13 Inducción electromagnética
      1. Introducción
      2. 13.1 Ley de Faraday
      3. 13.2 Ley de Lenz
      4. 13.3 Fuerza electromotriz (emf) de movimiento
      5. 13.4 Campos eléctricos inducidos
      6. 13.5 Corrientes de Foucault
      7. 13.6 Generadores eléctricos y fuerza contraelectromotriz
      8. 13.7 Aplicaciones de la inducción electromagnética
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    10. 14 Inductancia
      1. Introducción
      2. 14.1 Inductancia mutua
      3. 14.2 Autoinducción e inductores
      4. 14.3 Energía en un campo magnético
      5. 14.4 Circuitos RL
      6. 14.5 Oscilaciones en un circuito LC
      7. 14.6 Circuitos RLC en serie
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    11. 15 Circuitos de corriente alterna
      1. Introducción
      2. 15.1 Fuentes de ac
      3. 15.2 Circuitos simples de ac
      4. 15.3 Circuitos en serie RLC con ac
      5. 15.4 Potencia en un circuito de ac
      6. 15.5 Resonancia en un circuito de ac
      7. 15.6 Transformadores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    12. 16 Ondas electromagnéticas
      1. Introducción
      2. 16.1 Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas
      3. 16.2 Ondas electromagnéticas planas
      4. 16.3 Energía transportada por las ondas electromagnéticas
      5. 16.4 Momento y presión de radiación
      6. 16.5 El espectro electromagnético
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  4. A Unidades
  5. B Factores de conversión
  6. C Constantes fundamentales
  7. D Datos astronómicos
  8. E Fórmulas matemáticas
  9. F Química
  10. G El alfabeto griego
  11. Clave de Respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
  12. Índice

Problemas Adicionales

102 .

En 1701, el astrónomo danés Ole Rømer propuso una escala de temperatura con dos puntos fijos, el agua helada a 7,5 grados y el agua hirviendo a 60,0 grados. ¿Cuál es el punto de ebullición del oxígeno, 90,2 K, en la escala de Rømer?

103 .

¿Cuál es el porcentaje de error de pensar que el punto de fusión del tungsteno es 3.695°C3.695°C en vez del valor correcto de 3.695 K?

104 .

Un ingeniero quiere diseñar una estructura en la que la diferencia de longitud entre una viga de acero y una de aluminio se mantenga en 0,500 m independientemente de la temperatura, para temperaturas ordinarias. ¿Cuáles deben ser las longitudes de las vigas?

105 .

¿Cuánta tensión se crea en una viga de acero si su temperatura cambia de –15°C–15°C a 40°C40°C pero no puede expandirse? Para el acero, el módulo de Young Y=210×109N/m2Y=210×109N/m2 de la sección Estrés, tensión y módulo elástico (ignore el cambio de área resultante de la expansión).

106 .

Una varilla de latón (Y=90×109N/m2),(Y=90×109N/m2), con un diámetro de 0,800 cm y una longitud de 1,20 m cuando la temperatura es 25°C25°C, se fija en ambos extremos. ¿A qué temperatura es la fuerza en él a 36.000 N?

107 .

Un termómetro de mercurio que todavía se utiliza en meteorología tiene un bulbo con un volumen de 0,780cm30,780cm3 y un tubo para que el mercurio se expanda en su interior de 0,130 mm de diámetro. (a) Desestimando la dilatación térmica del vidrio, ¿cuál es la distancia entre marcas de 1°C1°C? (b) Si el termómetro es de vidrio ordinario (no es una buena idea), ¿cuál es la separación?

108 .

Incluso cuando está apagado tras un periodo de uso normal, un gran reactor nuclear comercial transfiere energía térmica a una tasa de 150 MW por el decaimiento radiactivo de productos de fisión. Esta transferencia de calor provoca un rápido aumento de la temperatura si el sistema de refrigeración cae (1vatios=1julio/segundo(1vatios=1julio/segundo o 1W=1J/s1W=1J/s y
1MW=1megavatios).1MW=1megavatios). (a) Calcule la tasa de aumento de la temperatura en grados Celsius por segundo (°C/s)(°C/s) si la masa del núcleo del reactor es 1,60×105kg1,60×105kg y tiene un calor específico promedio de 0,3349kJ/kg·°C0,3349kJ/kg·°C. (b) ¿Cuánto tiempo se necesita para obtener un aumento de temperatura de 2.000°C2.000°C, lo que podría provocar la fusión de algunos metales que contienen materiales radiactivos? (La tasa inicial de aumento de la temperatura sería mayor que la calculada aquí porque la transferencia de calor se concentra en una masa más pequeña. Sin embargo, más tarde, el aumento de la temperatura se ralentizaría porque el recipiente de contención de acero de 500.000 kg también comenzaría a calentarse).

109 .

Usted deja un pastelito en un plato en el refrigerador y le pide a su compañero de vivienda que lo saque antes de que llegue a casa para poder comerlo a temperatura ambiente, como a usted le gusta. En cambio, su compañero de vivienda juega videojuegos durante horas. Cuando vuelve, se da cuenta de que el pastel sigue frío, pero la videoconsola se ha calentado. Molesto, y sabiendo que el pastelito no estará bueno si se calienta en el microondas, calienta el hojaldre en la consola desenchufada y le pone una bolsa de basura limpia (que actúa como un perfecto calorímetro) con el pastelito en el plato. Después de un rato, se da cuenta de que la temperatura de equilibrio es una agradable y cálida 38,3°C38,3°C. Sabe que la videoconsola tiene una masa de 2,1 kg. Aproxima que tiene una temperatura inicial uniforme de 45°C45°C. El pastelito tiene una masa de 0,16 kg y un calor específico de 3,0kJ/(kg·°C),3,0kJ/(kg·°C), y se está a una temperatura inicial uniforme de 4,0°C4,0°C. El plato está a la misma temperatura y tiene una masa de 0,24 kg y un calor específico de 0,90kJ/(kg·°C)0,90kJ/(kg·°C). ¿Cuál es el calor específico de la consola?

110 .

Dos esferas sólidas, A y B, del mismo material, están a temperaturas de 0°C0°C y 100°C100°C, respectivamente. Las esferas se colocan en contacto térmico en un calorímetro ideal y alcanzan una temperatura de equilibrio de 20°C20°C. ¿Cuál es la esfera más grande? ¿Cuál es la relación de sus diámetros?

111 .

En algunos países se usa nitrógeno líquido en camiones lecheros en vez de refrigeradores mecánicos. Un viaje de entrega de 3 horas requiere 200 L de nitrógeno líquido, el cual tiene una densidad de 808kg/m3.808kg/m3. (a) Calcule la transferencia de calor necesaria para evaporar esta cantidad de nitrógeno líquido y elevar su temperatura a 3,00°C3,00°C. (use cPcP y suponga que es constante a lo largo del rango de temperaturas). Este valor es la cantidad de refrigeración que proporciona el nitrógeno líquido. (b) ¿Cuál es esta tasa de transferencia de calor en kilovatios-hora? (c) Compare la cantidad de refrigeración obtenida al fundir una masa idéntica de hielo a 0-°C0-°C con la de la evaporación del nitrógeno líquido.

112 .

Algunos aficionados a las armas fabrican sus propias balas, lo que implica fundir el plomo y vaciarlo en proyectiles de plomo. ¿Cuánta transferencia de calor se necesita para elevar la temperatura y fundir 0,500 kg de plomo, partiendo de 25,0°C25,0°C?

113 .

Un cilindro de hierro de 0,800 kg a una temperatura de 1,00×103°C1,00×103°C se deja caer en un cofre aislado con 1,00 kg de hielo en su punto de fusión. ¿Cuál es la temperatura final y cuánto hielo se ha derretido?

114 .

Repita el problema anterior con 2,00 kg de hielo en vez de 1,00 kg.

115 .

Repita el problema anterior con 0,500 kg de hielo, suponiendo que el hielo está inicialmente en un recipiente de cobre con una masa de 1,50 kg en equilibrio con el hielo.

116 .

Un cubo de hielo de 30,0 g en su punto de fusión se deja caer en un calorímetro de aluminio con una masa de 100,0 g en equilibrio a 24,0°C24,0°C con 300,0 g de un líquido desconocido. La temperatura final es 4,0°C4,0°C. ¿Cuál es la capacidad calorífica del líquido?

117 .

(a) Calcule la tasa de conducción de calor a través de una ventana de doble paneles de vidrio que tiene un área de 1,50m21,50m2 y está formada por dos paneles de vidrio de 0,800 cm de grosor separados por un espacio de aire de 1,00 cm. La temperatura de la superficie interior es 15,0°C,15,0°C, mientras que la del exterior es −10,0°C.−10,0°C. (Pista: Las caídas de temperatura son idénticas en los dos paneles de vidrios. Primero calcule estos y luego la caída de temperatura a través del espacio de aire. Este problema ignora el aumento de la transferencia de calor en el espacio de aire debido a convección). b) Calcule la tasa de conducción de calor a través de una ventana de 1,60 cm de espesor de la misma área y con las mismas temperaturas. Compare su respuesta con la de la parte (a).

118 .

a) Una pared exterior de una casa tiene 3 m de altura y 10 m de ancho. Consiste en una capa de paneles de yeso con un factor R de 0,56, una capa de 3,5 pulgadas de espesor rellena de paneles de fibra de vidrio y una capa de revestimiento aislante con un factor R de 2,6. La pared está tan bien construida que no hay fugas de aire a través de esta. Cuando el interior de la pared está en 22°C22°C y el exterior está a −2°C−2°C, ¿cuál es la tasa de flujo de calor a través de la pared? (b) De manera más realista, el espacio de 3,5 pulgadas también contiene montantes de 2 por 4, es decir, tablas de madera de 1,5 pulgadas por 3,5 pulgadas orientadas de manera que la dimensión de 3,5 pulgadas se extiende desde el panel de yeso hasta el revestimiento. Están “en centros de 16 pulgadas”, es decir, los centros de los montantes están a 16 pulgadas de distancia. ¿Cuál es la corriente de calor en esta situación? No se preocupe por un perno de más o de menos.

119 .

Para el cuerpo humano, ¿cuál es la tasa de transferencia de calor por conducción a través del tejido del cuerpo con las siguientes condiciones: el espesor del tejido es de 3,00 cm, la diferencia de temperatura es 2,00°C2,00°C y el área de la piel es 1,50m21,50m2. ¿Cómo se compara esto con la tasa promedio de transferencia de calor al cuerpo resultante de una ingesta energética de unas 2.400 kcal al día? (No se incluye el ejercicio).

120 .

Tiene un frasco de Dewar (un termo de vacío de laboratorio) que tiene la parte superior abierta y los lados rectos, como se muestra más adelante. Lo llena de agua y lo mete en el congelador. Se trata de un aislante perfecto que bloquea toda transferencia de calor, excepto en la parte superior. Al cabo de un tiempo, se forma hielo en la superficie del agua. El agua líquida y la superficie inferior del hielo, en contacto con el agua líquida, están a 0°C0°C. La superficie de arriba del hielo está a la misma temperatura que el aire del congelador, −18°C.−18°C. Establezca la tasa de flujo de calor a través del hielo igual a la tasa de pérdida de calor de fusión a medida que el agua se congela. Cuando la capa de hielo tenga un grosor de 0,700 cm, calcule la velocidad en m/s a la que el hielo se está engrosando.

En la figura se muestra un termo lleno de agua con una capa de hielo en la parte superior. La superficie de arriba del hielo está a menos 18 grados Celsius. La superficie inferior del hielo y el agua están a 0 grados Celsius.
121 .

Un calefactor de infrarrojos para un sauna tiene una superficie de 0,050m20,050m2 y una emisividad de 0,84. ¿A qué temperatura debe funcionar si la potencia necesaria es de 360 W? Desestime la temperatura del ambiente.

122 .

(a) Determine la potencia de la radiación del Sol y tome en cuenta que la intensidad de la radiación a la distancia de la Tierra es 1.370W/m21.370W/m2. Pista: Esa intensidad se calculará en todas partes de una superficie esférica con radio igual al de la órbita de la Tierra. (b) Suponiendo que la temperatura del Sol es de 5.780 K y que su emisividad es 1, calcule su radio.

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