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Física Universitaria Volumen 2

Problemas De Desafío

Física Universitaria Volumen 2Problemas De Desafío
  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 De Desafío

123 .

Un péndulo está formado por una varilla de longitud L y masa insignificante, pero con capacidad de dilatación térmica y un peso de tamaño insignificante. (a) Demuestre que cuando la temperatura aumenta en dT, el periodo del péndulo aumenta en una fracción αLdT/2αLdT/2. (b) Un reloj controlado por un péndulo de latón mantiene la hora correctamente a 10°C10°C. Si la temperatura ambiente es 30°C30°C, ¿el reloj va más rápido o más lento? ¿Cuál es su error en segundos por día?

124 .

A temperaturas de unos cientos de kelvins, la capacidad de calor específico del cobre sigue aproximadamente la fórmula empírica c=α+βT+δT−2,c=α+βT+δT−2, donde α=349J/kg·K,α=349J/kg·K, β=0,107J/kg·K2,β=0,107J/kg·K2, y δ=4,58×105J·kg·K.δ=4,58×105J·kg·K. ¿Cuánto calor se necesita para elevar la temperatura de una pieza de cobre de 2,00 kg de 20°C20°C a 250°C250°C?

125 .

En un calorímetro de capacidad calorífica insignificante, 200 g de vapor de agua a 150°C150°C y 100 g de hielo a −40°C−40°C están mezclados. La presión se mantiene en 1 atm. ¿Cuál es la temperatura final y qué cantidad de vapor de agua, hielo y agua hay?

126 .

Un astronauta que realiza una actividad fuera del vehículo (paseo espacial) a la sombra del Sol lleva un traje espacial que puede aproximarse como perfectamente blanco (e=0)(e=0) excepto un parche de 5cm×8cm5cm×8cm con la forma de la bandera nacional del astronauta. El parche tiene una emisividad de 0,300. El traje espacial debajo del parche tiene un grosor de 0,500 cm, con una conductividad térmica k=0,0600W/m°Ck=0,0600W/m°C, y su superficie interior está a una temperatura de 20,0°C20,0°C. ¿Cuál es la temperatura del parche y cuál es la tasa de pérdida de calor a través de él? Suponga que el parche es tan fino que su superficie exterior está a la misma temperatura que la superficie exterior del traje espacial que tiene debajo. Asuma también que la temperatura del espacio exterior es de 0 K. Obtendrá una ecuación muy difícil de resolver en forma cerrada, por lo que puede resolverla numéricamente con una calculadora gráfica, con un software o incluso por ensayo y error con una calculadora.

127 .

Calcule el crecimiento de una capa de hielo como una función de tiempo en un frasco de Dewar como se ve en el Ejercicio 1.120. Llame al espesor de la capa de hielo L. (a) Derive una ecuación para dL/dt en términos de L, la temperatura T sobre el hielo y las propiedades del hielo (que puede dejar en forma simbólica en vez de sustituir los números). (b) Despeje esta ecuación diferencial suponiendo que en t=0t=0, tiene L=0.L=0. Si ha estudiado ecuaciones diferenciales, entonces conoce una técnica para despejar ecuaciones de este tipo: manipular la ecuación para obtener dL/dt multiplicado por una función (muy simple) de L en un lado e integrar ambos lados con respecto al tiempo. Como alternativa, puede usar sus conocimientos sobre las derivadas de varias funciones para estimar la solución, que tiene una dependencia simple de t. (c) ¿Finalmente se congelará el agua en el fondo del termo?

128 .

Como primer rudimento de la climatología, estime la temperatura de la Tierra. Suponga que es una esfera perfecta y que su temperatura es uniforme. Ignore el efecto invernadero. La radiación térmica del Sol tiene una intensidad (la “constante solar” S) de aproximadamente 1.370W/m21.370W/m2 en el radio de la órbita de la Tierra. (a) Suponiendo que los rayos del Sol son paralelos, ¿por qué área debe multiplicarse S para obtener la radiación total interceptada por la Tierra? Lo más fácil será responder en términos del radio de la Tierra, R. (b) Suponga que la Tierra refleja el 30 % de la energía solar que intercepta aproximadamente. En otras palabras, la Tierra tiene un albedo con un valor de A=0,3A=0,3. En términos de S, A y R, ¿cuál es la tasa a la que la Tierra absorbe energía del Sol? (c) Halle la temperatura a la que la Tierra irradia energía a la misma tasa. Suponga que en las longitudes de onda infrarrojas en las que irradia la emisividad e es 1. ¿Su resultado muestra que el efecto invernadero es importante? (d) ¿Cómo depende su respuesta del área de la Tierra?

129 .

Vamos a dejar de ignorar el efecto invernadero e incorporémoslo al problema anterior de forma muy aproximada. Suponga que la atmósfera es una sola capa, una cáscara esférica alrededor de la Tierra, con una emisividad e=0,77e=0,77 (elegido simplemente para dar la respuesta correcta) en las longitudes de onda infrarrojas emitidas por la Tierra y por la atmósfera. Sin embargo, la atmósfera es transparente a la radiación del Sol (es decir, se supone que la radiación es en longitudes de onda visibles sin infrarrojas), por lo que la radiación del Sol llega a la superficie. El efecto invernadero proviene de la diferencia entre la transmisión de la luz visible por parte de la atmósfera y su absorción bastante fuerte de infrarrojos. Note que el radio de la atmósfera no es significativamente diferente del de la Tierra, pero como la atmósfera es una capa por encima de la Tierra, emite radiación tanto hacia arriba como hacia abajo, por lo que tiene el doble de superficie que la Tierra. En este problema hay tres transferencias de energía de radiación: la solar absorbida por la superficie de la Tierra; la infrarroja de la superficie, que es absorbida por la atmósfera según su emisividad; y la infrarroja de la atmósfera, la mitad de la cual es absorbida por la Tierra y la otra mitad sale al espacio. Aplique el método del problema anterior para obtener una ecuación para la superficie de la Tierra y otra para la atmósfera, y despéjelas para las dos temperaturas desconocidas, superficie y atmósfera.

  1. En términos del radio de la Tierra, la constante σσ y la temperatura desconocida TsTs de la superficie, ¿cuál es la potencia de la radiación infrarroja de la superficie?
  2. ¿Cuál es la potencia de la radiación terrestre que la atmósfera absorbe?
  3. En cuanto a la temperatura desconocida TeTe de la atmósfera, ¿cuál es la potencia radiada por la atmósfera?
  4. Escriba una ecuación que diga que la potencia de la radiación que la atmósfera absorbe de la Tierra es igual a la potencia de la radiación que emite.
  5. La mitad de la potencia radiada por la atmósfera llega a la Tierra. Escriba una ecuación que diga que la potencia que la Tierra absorbe de la atmósfera y del Sol es igual a la energía que emite.
  6. Despeje sus dos ecuaciones para la temperatura desconocida de la Tierra.
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