Transferencias de energía con el entorno

Un hervidor eléctrico calienta $m = 2\ \text{kg}$ de agua y eleva su temperatura $\Delta T = 10\ \celsius$. El calor específico del agua es $c = 4180\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\celsius)$.

Calculá el calor que absorbió el agua con la expresión $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$.

El calor específico del agua es $c_{\text{agua}} = 4180\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\celsius)$ y el del etanol, $c_{\text{etanol}} = 2400\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\celsius)$.

1. a) Explicá con tus palabras qué significa el valor $4180\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\celsius)$: cuántos julios hacen falta y para conseguir qué, exactamente.
2. b) Para masas iguales y el mismo aumento de temperatura, razoná con la fórmula $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$ cuál de las dos sustancias necesita más calor.

En el laboratorio se calientan $750\ \text{mL}$ de agua desde $20\ \celsius$ hasta $60\ \celsius$. Datos: la densidad del agua es $1\ \text{kg/L}$ y su calor específico, $c_{\text{agua}} = 4180\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\celsius)$.

1. a) Expresá la masa de agua en kilogramos y calculá la variación de temperatura.
2. b) Calculá el calor absorbido por el agua y expresalo en notación científica.

Sobre un bloque metálico de $m = 0,5\ \text{kg}$, inicialmente a $20\ \celsius$, se comunica un calor $Q = 11\,500\ \text{J}$ y su temperatura sube hasta $70\ \celsius$.

1. a) Despejá el calor específico $c$ de la fórmula $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$.
2. b) Calculá su valor en $\text{J}/(\text{kg}\cdot\celsius)$.
3. c) Consultando los valores $c_{\text{plomo}} = 130\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\celsius)$, $c_{\text{hierro}} = 460\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\celsius)$ y $c_{\text{aluminio}} = 900\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\celsius)$, identificá de qué metal podría tratarse.

Una bolsa de frío que contiene $m = 0,5\ \text{kg}$ de hielo a $0\ \celsius$ se aplica sobre una lesión deportiva hasta que todo el hielo se funde, permaneciendo a $0\ \celsius$ durante todo el proceso. El calor latente de fusión del hielo es $L_{\text{f}} = 3,34\cdot10^{5}\ \text{J/kg}$.

1. a) Calculá el calor absorbido por el hielo con $Q = m \cdot L_{\text{f}}$ y expresá el resultado en notación científica.
2. b) Indicá de dónde procede ese calor y explicá por ello el efecto de enfriamiento sobre la zona tratada.

Una olla con agua hirviendo permanece sobre el fuego, pero el termómetro marca $100\ \celsius$ durante todo el proceso, aunque la llama sigue aportando energía. El gráfico muestra cómo evoluciona la temperatura del agua con el tiempo.

1. a) ¿Sigue recibiendo energía el agua mientras hierve? Justificalo.
2. b) Si la temperatura no sube, ¿en qué se está invirtiendo esa energía a nivel microscópico?
3. c) Explicá, usando el concepto de calor latente, por qué la temperatura permanece constante durante un cambio de estado.

En una caldera industrial se calientan $m = 0,2\ \text{kg}$ de agua desde $80\ \celsius$ hasta $100\ \celsius$ y, a continuación, esa masa se vaporiza por completo a $100\ \celsius$. Datos: $c_{\text{agua}} = 4180\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\celsius)$ y $L_{\text{v}} = 2,26\cdot10^{6}\ \text{J/kg}$.

1. a) Calculá el calor necesario para la primera etapa (el calentamiento del agua).
2. b) Calculá el calor necesario para la vaporización completa con $Q = m \cdot L_{\text{v}}$.
3. c) Calculá el calor total del proceso y comentá cuál de las dos etapas resultó mucho más costosa energéticamente.

Queremos convertir $m = 0,5\ \text{kg}$ de hielo a $-10\ \celsius$ en agua líquida a $40\ \celsius$. Datos: $c_{\text{hielo}} = 2100\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\celsius)$, $c_{\text{agua}} = 4180\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\celsius)$ y $L_{\text{f}} = 3,34\cdot10^{5}\ \text{J/kg}$.

1. a) Calculá el calor necesario para calentar el hielo desde $-10\ \celsius$ hasta $0\ \celsius$.
2. b) Calculá el calor necesario para fundir todo el hielo a $0\ \celsius$.
3. c) Calculá el calor necesario para calentar el agua obtenida desde $0\ \celsius$ hasta $40\ \celsius$.
4. d) Calculá el calor total del proceso, expresalo en notación científica y representá en tu cuaderno el gráfico de la temperatura en función del calor suministrado, señalando los distintos tramos.

En un recipiente aislado hay $0,3\ \text{kg}$ de agua a $60\ \celsius$ y se añaden $0,3\ \text{kg}$ de hielo a $0\ \celsius$. Datos: $c_{\text{agua}} = 4180\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\celsius)$ y $L_{\text{f}} = 3,34\cdot10^{5}\ \text{J/kg}$.

1. a) Calculá el calor máximo que el agua caliente puede ceder si se enfriara hasta $0\ \celsius$.
2. b) Calculá el calor que haría falta para fundir todo el hielo.
3. c) Comparando ambos resultados, predecí si se fundirá todo el hielo y deducí la temperatura final de la mezcla.
4. d) Calculá la masa de hielo que llega a fundirse y la que queda sin fundir.

En un día despejado, el Sol comunica la misma energía $Q = 4180\ \text{J}$ a $1\ \text{kg}$ de agua del mar ($c_{\text{agua}} = 4180\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\celsius)$) y a $1\ \text{kg}$ de arena de la playa ($c_{\text{arena}} = 836\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\celsius)$).

1. a) Calculá el aumento de temperatura del agua.
2. b) Calculá el aumento de temperatura de la arena.
3. c) Usá los resultados para explicar por qué la arena quema a mediodía mientras el agua del mar apenas se ha templado.
4. d) Relacionalo con la brisa marina diurna: razoná sobre qué superficie se calienta antes el aire y hacia dónde sopla la brisa.

Reto del tema. ¿Cómo pierde energía tu taza de desayuno? Vas a analizar experimentalmente las transferencias de calor de un sistema termodinámico cotidiano hacia su entorno.

1. Definición del sistema: Identificá las fronteras del sistema (agua) y medí la masa de agua $m = (200 \pm 2)\text{ g}$ con una balanza de cocina, además de la temperatura ambiente $T_{\text{ent}} = (21,0 \pm 0,5)\text{ }^\circ\text{C}$.

2. Registro experimental: Calentá el agua hasta unos $80\text{ }^\circ\text{C}$, vertela en la taza y anotá su temperatura cada $2\text{ min}$ durante $14\text{ min}$, considerando la incertidumbre instrumental del termómetro (p. ej., $\pm 0,5\text{ }^\circ\text{C}$).

3. Tratamiento de datos: Construí una tabla con tus medidas ($t, T$) y representá el gráfico de enfriamiento $T(t)$. A partir de él, calculá el calor total disipado al entorno mediante $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$ (usando $c = 4184\text{ J/(kg}\cdot\text{K)}$) y estimá la potencia media transferida ($P = Q/\Delta t$).

4. Propuesta razonada: Redactá un informe breve caracterizando las variables de estado ($P, V, T$) del sistema y proponé dos medidas fundamentadas (tapa, material aislante) para minimizar las pérdidas energéticas.

Se valorará:

• Rigor en la toma de datos empíricos y expresión correcta de las incertidumbres.

• Calidad técnica de la tabla, del gráfico e idoneidad del cálculo de la energía transferida ($Q$).

• Justificación física coherente de las variables termodinámicas y de la propuesta de aislamiento.