Exemples de preguntes sobre el Principi Negre

15 exemples de preguntes sobre el principi de Black

1. Es barreja gel que pesa 0,2 kg amb te calent que pesa 0,2 kg. La temperatura del gel = – 10^oC, temperatura del te calent = 40^oC. Calor específica del gel = 2100 J/kg C^o, calor específica de l'aigua = 4200 J/kg C^o, la calor de fusió de l'aigua = 334.000 J/kg. Si es barregen gel i te calent en un sistema tancat aïllat, determineu la temperatura final de la mescla.

Discussió
És conegut :
Massa de gel (m² es) = 0,2 kg
Massa d'aigua tèbia (m² de te) = 0,2 kg
Calor específica de l'aigua (c aigua) = 4180 J/kg C^o
Calor específica del gel (c es) = 2100 J/kg C^o
Calor de fusió de l'aigua (L)_f aigua) = 334.000 J/kg
Temperatura del gel (T es) = -10^oC
Temperatura de l'aigua tèbia del te (T tea) = 40^oC
Preguntat : temperatura final de la mescla (T mescla) ?
Jawab :
Primer pas, estimar l'estat final.
La calor que ha d'alliberar l'aigua per baixar la temperatura de 0,2 kg de te calent de 40^oC a 0^oC:
La calor absorbida per 0,2 kg de gel per augmentar la seva temperatura de -10^oC a 0^oC:
Calor absorbida per fondre 0,2 kg de gel (calor necessària per convertir tot el gel en aigua):
A partir dels càlculs anteriors, s'han obtingut els següents resultats:
Q alliberada = 33,444 kJ
Q rebuda = 4,2 kJ
Q de fusió = 66,8 kJ

Quan el te calent allibera 33,44 kJ de calor, la temperatura del te calent canvia de 40 °C a 0 °C. Part de la calor alliberada (uns 4,2 kJ) s'utilitza per augmentar la temperatura del gel de -10 °C a 0 °C. ^oC a 0^oC. 33,44 kJ – 4,2 kJ = 29,24 kJ. Per fondre tot el gel i convertir-lo en aigua, es necessiten 66,8 kJ de calor. La calor restant és de 29,24 kJ.

Es pot concloure que la calor alliberada pel te calent només s'utilitza per augmentar la temperatura del gel de -10 ^oC a 0^oC i fon part del gel. Una part del gel s'ha convertit en aigua, una altra no. Durant el procés de canvi de sòlid a líquid, la temperatura no canvia. Per tant, la temperatura final de la mescla és de 0^oC.

2. Massa de te calent = 0,4 kg, massa de gel = 0,2 kg, temperatura dels glaçons de gel = -10^oC, temperatura del te calent = 90^oC. Si es barregen ambdues, quina és la temperatura final de la mescla?
Discussió
Primer pas: estimar l'estat final
La calor que ha d'alliberar l'aigua per baixar la temperatura de 0,4 kg d'aigua calenta per al te de 90^oC a 0^oC:
La calor rebuda per 0,2 kg de gel per augmentar la seva temperatura de -10^oC a 0^oC:
La calor necessària per fondre 0,2 kg de gel (la calor necessària per convertir tot el gel en aigua):
A partir dels càlculs anteriors, s'han obtingut els següents resultats:
Q alliberada = 150,48 kJ
Q rebuda = 4,2 kJ
Q de fusió = 66,8 kJ
Quan el te calent allibera 150,48 kJ de calor, la temperatura del te calent canvia de 90 °C a 0 °C. Part de la calor alliberada (4,2 J) s'utilitza per augmentar la temperatura del gel de -10 °C a 0 °C. 150,48 kJ – 4,8 kJ = 146,28 kJ. La calor restant = 146,28 kJ.
La calor necessària per fondre tot el gel i convertir-lo en aigua és només de 66,8 kJ. 146,28 kJ – 66,8 kJ = 79,48 kJ. El te calent no necessita alliberar tota la seva calor fins que la seva temperatura baixi a 0.^oC. En conclusió, la temperatura final de la mescla ha de ser superior a 0^oC.

Segon pas: determinar la temperatura final (T)
La calor necessària per augmentar la temperatura del gel de -10^oC a 0^oC és de 4200 J.
La calor necessària per fondre tot el gel i convertir-lo en aigua (calor latent) = 66.800 J
La calor necessària per augmentar la temperatura de l'aigua (l'aigua resultant de la fusió de tot el gel) des de 0^oDe la C a la T^oC = (massa de gel)(calor específica de l'aigua)(T – 0) = (0,2)(4180)(T) = 836 T
La calor alliberada pel te calent per baixar la seva temperatura de 90 °C a T = (densitat de l'aigua)(90 - T) = (0,4)(4180)(90 – T) = 1672 (90 - T) = 150.480 – 1672 T

 

3. 60 grams d'aigua a una temperatura de 90^oC (calor específica de l'aigua = 1 cal.g)^-1.^oC^-1) barrejat amb 40 grams d'aigua similar a una temperatura de 25^oC. Si no hi ha altres factors que afectin aquest procés, la temperatura final de la mescla és...

A. 15,4 ^oC
B. 23,0 ^oC
C. 46,0 ^oC
D. 64,0 ^oC
E. 77,0 ^oC

Discussió
És conegut :
Massa d'aigua 1 (m₁) = 60 grams
Temperatura de l'aigua 1 (T₁) = 90^oC
Massa d'aigua 2 (m₂) = 40 grams
Temperatura de l'aigua 2 (T₂) = 25^oC
Calor específica aigua (c) = 1 cal.g^-1.^oC^-1
Preguntat : suhu barreja final
Jawab :
Calor alliberada per l'aigua a alta temperatura (Q alliberada) = calor absorbida per l'aigua a baixa temperatura (Q absorbida)
m₁ c (ΔT) = m₂ c (ΔT)
(60)(1)(90 – T) = (40)(1)(T – 25)
(60)(90 – T) = (40)(T – 25)
5400 – 60T = 40T – 1000
5400 + 1000 = 40T + 60T
6400 = 100T
T = 6400/100
T = 64^oC
La resposta correcta és D.

4. Una peça d'alumini té una massa de 500 grams i una temperatura de 30 ^oEs posa C en un recipient que conté aigua amb una massa de 200 grams i una temperatura de 90 ^oC. Si se sap que la calor específica de l'alumini és de 0,22 cal/g C^o i la calor específica de l'aigua és d'1 cal/g °C^o, aleshores la temperatura final de l'aigua i l'alumini és...
A. 20,3 ^oC
B. 42,2 ^oC
C. 68,7 ^oC
D. 80,5 ^oC
E. 100 ^oC
Discussió:
La unitat de massa, grams (g), no cal convertir-la a quilograms (kg) perquè la calor específica de l'alumini i la calor específica de l'aigua s'expressen en cal/g C.^o.
És conegut :
m alumini = 500 grams
c alumini = 0,22 cal/gC^o
T alumini = 30 ^oC
m aigua = 200 grams
aigua c = 1 cal/gC^o
T aigua = 90 ^oC
Preguntat :
Temperatura final (T) de l'aigua i l'alumini?
Jawab :

Fórmula de calor Q = (m)(c)(delta T)

Q aigua = = (200 grams)(1 cal/gC^o) (90 ^oC – T)
Q alumini = (500 grams)(0,22 cal/gC^o)(T– 30 ^oC)

La fórmula bàsica de Black :Q _lepes = Q _miratge

L'aigua té una temperatura inicial més alta (90 ^oC) de manera que l'aigua allibera calor, l'alumini té una temperatura inicial més baixa (30 ^oC) perquè l'alumini absorbeixi calor. La temperatura final de la mescla d'aigua i alumini ha de ser inferior a la temperatura inicial de l'aigua i superior a la temperatura inicial de l'alumini.
(200 grams) (1 cal/gC)^o) (90 ^oC – T) = (500 grams)(0,22 cal/g C^o)(T– 30 ^oC)
(200)(1)(90-T) = (500)(0,22)(T-30)
(200)(90-T) = (110)(T-30)
18000 – 200 T = 110 T – 3300
18000 + 3300 = 110 T + 200 T
21300 = 310 T
T = 68,7 ^oC
La temperatura final de la combinació d'aigua i alumini és de 68,7 ^oC.
La resposta correcta és C.

5. Una peça de metall amb una massa de 300 grams a una temperatura de 80 ^oC submergit en 200 grams d'aigua a 40 ^oC. Calor específica de l'aigua = 1 cal/g C^oSi la temperatura final de la mescla de metall i aigua és de 50^o C i el recipient no absorbeix calor, aleshores la calor específica del metall és…
A. 0,15 cal/g C^o
B. 0,22 cal/g C^o
C. 1,50 cal/g C^o
D. 4,8 cal/g C^o
E. 7,2 cal/g C^o
Discussió:
És conegut :
m metall = 300 grams
T metall = 80 ^oC
m aigua = 200 grams
T aigua = 40 ^oC
aigua c = 1 cal/g C^o
T mescla final de metall i aigua = 50 ^oC
Preguntat :
metall c?
Jawab :
Q metall = (m)(c)(delta T) = (300 grams)(c metall)(80^oC - 50^oC) = (300 grams)(c metall)(30 C^o)
Q aigua = (m)(c)(delta T) = (200 grams)(1 cal/g C^o) (60^oC - 50^oC) = (200 grams)(1 cal/g C^o)(10 °C^o)

La fórmula bàsica de Black :Q _lepes = Q _miratge

El metall té una temperatura inicial més alta (80 ^oC) de manera que el metall allibera calor, l'aigua té una temperatura inicial més baixa (40 ^oc) perquè l'aigua absorbeixi calor.
(300 grams)(metall c)(30 C^o) = (200 grams)(1 cal/g C^o)(10 °C^o)
(300)(c)(30) = (200)(1)(10)
9000 c = 2000
c = 2000 / 9000
c = 0,22 cal/g C^o
La calor específica d'un metall és de 0,22 cal/g °C^o.
La resposta correcta és B.

6. Dues boles idèntiques tenen la mateixa temperatura de 40 ^oC, les dues boles tenen masses de 10 grams i 40 grams respectivament. Ambdues boles es col·loquen en un fluid, de manera que la temperatura de les dues boles puja a 60^oC. Si la calor específica de la bola és de 2 cal/g C^o i 1 caloria = 4,2 joules, aleshores la diferència de calor absorbida per cada bola és...
A. 5,04 x 10³ Joule
B. 7,50 x 10³ Joule
C. 10,6 x 10³ Joule
D. 40 x 10³ Joule
E. 42 x 10³ Joule
Discussió:
És conegut :
m₁ = 10 grams
m₂ = 40 grams
T₁ =T₂ = 40 ^oC
T _final = 60 ^oC
bola de c = 2 cal/gr C^o
Preguntat :
Quina és la diferència en la calor absorbida per cada bola?
Jawab :
La temperatura de les dues boles augmenta perquè ambdues boles han d'absorbir calor.
Q₁ = (10 gr)(2 cal/g C^o) (60^oC–40^oC) = (10 gr)(2 cal/g C^o)(20 °C^o) = 400 cal = (400)(4,2 J) = 1680 joules
Q₂ = (40 gr)(2 cal/g C^o) (60^oC–40^oC) = (40 gr)(2 cal/g C^o)(20 °C^o) = 1600 cal = (1600)(4,2 J) = 6720 joules
La diferència de calor absorbida per cada bola:
6720 J – 1680 J = 5040 J = 5,04 x 10³ J
La resposta correcta és A.

7. Es barreja aigua amb una massa de 200 grams a una temperatura de 30 °C amb aigua bullent amb una massa de 100 grams i una temperatura de 90 °C. (Calor específica de l'aigua = 1 cal.gram^-1° C^-1). La temperatura de l'aigua barrejada en el moment de l'equilibri tèrmic és….

A. 10°C

B. 30°C

C. 50 °C

D. 75°C

E. 150°C

Discussió

És conegut :

Massa d'aigua 1 (m₁) = 200 grams

Temperatura de l'aigua 1 (T₁) = 30^oC

Massa d'aigua 2 (m₂) = 100 grams

Temperatura de l'aigua 2 (T₂) = 90^oC

Calor específica de l'aigua (c) = 1 cal.gram^-1° C^-1

Preguntat : temperatura final de la mescla

Jawab :

Calor alliberada per l'aigua a alta temperatura (Q alliberada) = calor absorbida per l'aigua a baixa temperatura (Q absorbida)

La resposta correcta és C.

8. Lafins a 60 grams a una temperatura de 90^oC (calor específica de l'aigua = 1 cal.g)^-1.^oC^-1) barrejat amb 40 grams d'aigua similar a una temperatura de 25^oC. Si no hi ha altres factors que afectin aquest procés, la temperatura final de la mescla és...

A. 15,4 ^oC

B. 23,0 ^oC

C. 46,0 ^oC

D. 64,0 ^oC

E. 77,0 ^oC

Discussió

És conegut :

Massa d'aigua 1 (m₁) = 60 grams

Temperatura de l'aigua 1 (T₁) = 90^oC

Massa d'aigua 2 (m₂) = 40 grams

Temperatura de l'aigua 2 (T₂) = 25^oC

Calor específica de l'aigua (c) = 1 cal.g^-1.^oC^-1

Preguntat : temperatura final de la mescla

Jawab :

Calor alliberada per l'aigua a alta temperatura (Q alliberada) = calor absorbida per l'aigua a baixa temperatura (Q absorbida)

La resposta correcta és D.

9. Gel amb una massa de M grams a una temperatura de 0^oC, posat en aigua que pesa 340 grams a una temperatura de 20^oC col·locat en un recipient especial. Suposeu que el recipient no absorbeix/allibera calor. Si L_es = 80 cal/g^-1, C_aire = 1 cal/g^{-1 o}C^-1, tot el gel es fon i s'assoleix l'equilibri tèrmic a una temperatura de 5^oC, aleshores la massa de gel (M) és…

A. 60 grams

B. 68 grams

C. 75 grams

D. 80 grams

E. 170 grams

Discussió

És conegut :

Massa d'aigua (m) = 340 grams

Temperatura del gel (T_es) = 0^oC

Temperatura de l'aigua (T_aire) = 20^oC

Temperatura d'equilibri tèrmic (T) = 5^oC

Calor de fusió del gel (L_es) = 80 cal g^-1

Calor específica de l'aigua (c_aire) = 1 cal g^{-1 o}C^-1

Preguntat Massa de gel (M)

Jawab :

Principi Negre afirma que en un sistema tancat aïllat, la calor alliberada per un objecte a alta temperatura és la mateixa que la calor absorbida per un objecte a baixa temperatura.

Calor alliberada per l'aigua (Q alliberada) = calor absorbida pel gel (Q absorbida)

La resposta correcta és A.

Catatan:

Si s'afirma que el gel té una temperatura de 0^o aleshores l'aigua encara està en forma sòlida. Si s'indica que la temperatura de l'aigua és 0^oC, aleshores l'aigua està en forma líquida. Diferencia l'ús de les paraules gel i aigua. Com que l'aigua encara està en forma sòlida o de gel, la calor absorbida primer s'utilitza per fondre tot el gel en aigua, per tant, al costat dret de l'equació anterior, s'afegeix una fórmula per calcular la quantitat de calor per fondre el gel (m_es L_es). Després que tot el gel s'hagi fos i s'hagi convertit en aigua, s'utilitza calor addicional per augmentar la temperatura del gel des de 0^oC es converteix en 5^oC.

10. Coure metàl·lic a una temperatura de 100^oEs posa C en aigua amb una massa de 128 grams i una temperatura de 30 ^oC. Calor específica de l'aigua 1 cal.g^-1oC^-1 i la calor específica del coure és de 0,1 cal.g^-1oC^-1Si l'equilibri tèrmic es produeix a una temperatura de 36 ^oC, aleshores la massa del metall és….

A. 140 grams

B. 120 grams

C. 100 grams

D. 80 grams

E. 75 grams

Discussió

Se sap que:

Temperatura del coure (T₁) = 100 ^oC

Calor específica del coure (c₁) = 0,1 cal.g^-1oC^-1

Massa d'aigua (m₂) = 128 grams

Temperatura de l'aigua (T₂) = 30 ^oC

Calor específica de l'aigua (c₂) = 1 cal.g^-1oC^-1

Temperatura d'equilibri tèrmic (T) = 36 ^oC

Preguntat: Massa de coure (m₁)

Resposta:

El principi de Black estableix que la calor alliberada per un objecte a alta temperatura és igual a la calor rebuda per un objecte a baixa temperatura.

La resposta correcta és B.

11. Tres quilograms de vareta de plom negre amb una calor específica de 1400 J.kg^-1C^-1 temperatura 80^oC està submergit en 10 kg d'aigua amb una calor específica de 4200 J.kg^-1C^-1Després que es produeixi l'equilibri tèrmic, la temperatura final de la mescla és de 20^oC. La temperatura inicial de l'aigua és….

A. 20 ^oC

B. 18 ^oC

C. 14 ^oC

D. 12 ^oC

E. 10 ^oC

Discussió

Se sap que:

Massa de plom (m₁) = 3 kg

Calor específica de l'estany (c₁) = 1400 J.kg^-1C^-1

Temperatura de l'estany (T₁) = 80 ^oC

Massa d'aigua (m₂) = 10 kg

Calor específica de l'aigua (c₂) = 4200 J.kg^-1C^-1

Temperatura d'equilibri tèrmic (T) = 20 ^oC

Preguntat: Temperatura inicial de l'aigua (T₂)

Resposta:

La resposta correcta és C.

12. Una moneda de 50 grams s'escalfa a una temperatura de 85^oC, i després es va submergir en un recipient que contenia 50 grams d'aigua a una temperatura de 29,8^oC (calor específica de l'aigua = 1 cal.g)^-1.^oC^-1). Si la temperatura final del sistema és de 37^oC i suposem que no hi ha cap canvi de calor a través del recipient, aleshores la calor específica del metall és...

A. 0,12 cal.g^-1.^oC^-1

B. 0,30 cal.g^-1.^oC^-1

C. 1,50 cal.g^-1.^oC^-1

D. 4,8 cal.g^-1.^oC^-1

E. 7,2 cal.g^-1.^oC^-1

Discussió

Se sap que:

Massa de la moneda (m) = 50 grams

Temperatura inicial de la moneda (T₁) = 85^oC

Massa d'aigua (m) = 50 grams

Temperatura inicial de l'aigua (T₂) = 29,8^oC

Calor específica de l'aigua = 1 cal.g^-1.^oC^-1

Temperatura final del sistema (T) = 37^oC

Preguntat: Calor específica del metall (c)

Resposta:

El principi de Black estableix que la calor alliberada = la calor absorbida. La moneda allibera calor i l'aigua absorbeix calor, fins que s'arriba a l'equilibri tèrmic.

Totes les unitats s'expressen en grams, per tant no cal convertir-les.

Q _lepes = Q _miratge

m_logam c ΔT = m_aire cΔT

(50)(c)(85-37) = (50)(1)(37-29,8)

(50)(c)(48) = (50)(7,2)

(50)(c)(48) = (50)(7,2)

(c)(48) = 7,2

c = 7,2 / 48

c = 0,15 cal.g^-1.^oC^-1

13. Coure metàl·lic a una temperatura de 100^oEs posa C en aigua amb una massa de 128 grams i una temperatura de 30 ^oC. Calor específica de l'aigua 1 cal.g^{-1 o}C^-1 i la calor específica del coure és de 0,1 cal.g^{-1 o}C^-1Si l'equilibri tèrmic es produeix a una temperatura de 36 ^oC, aleshores la massa del metall és….

A. 140 grams
B. 120 grams
C. 100 grams
D. 80 grams
E. 75 grams

Discussió
Se sap que:
Temperatura del coure (T₁) = 100 ^oC
Calor específica del coure (c₁) = 0,1 cal.g^{-1 o}C^-1

Massa d'aigua (m₂) = 128 grams
Temperatura de l'aigua (T₂) = 30 ^oC
Calor específica de l'aigua (c₂) = 1 cal.g^{-1 o}C^-1

Temperatura d'equilibri tèrmic (T) = 36 ^oC
Pregunta: Massa de coure (m₁)
Resposta:

El principi de Black estableix que la calor alliberada per un objecte a alta temperatura és igual a la calor rebuda per un objecte a baixa temperatura.
Q coure = Q aigua
m₁ c₁ ΔT = m₂ c₂ ΔT
(m₁)(0,1)(100-36) = (128)(1)(36-30)
(m₁)(0,1)(64) = (128)(1)(6)
(m₁)(6,4) = 768
m₁ = 768/6,4
m₁ = 120
La massa del coure és de 120 grams.
La resposta correcta és B.

14. Tres quilograms de vareta de plom negre amb una calor específica de 1400 J.kg^-1 C^-1 temperatura 80^oC està submergit en 10 kg d'aigua amb una calor específica de 4200 J.kg^-1 C^-1Després que es produeixi l'equilibri tèrmic, la temperatura final de la mescla és de 20^oC. La temperatura inicial de l'aigua és….

A. 20 ^oC
B. 18 ^oC
C. 14 ^oC
D. 12 ^oC
E. 10 ^oC

Discussió
Se sap que:
Massa de plom (m₁) = 3 kg
Calor específica de l'estany (c₁) = 1400 J.kg^-1 C^-1
Temperatura de l'estany (T₁) = 80 ^oC

Massa d'aigua (m₂) = 10 kg
Calor específica de l'aigua (c₂) = 4200 J.kg^-1 C^-1

Temperatura d'equilibri tèrmic (T) = 20 ^oC
Es desitja: Temperatura inicial de l'aigua (T₂)
Resposta:
Q alliberada = Q rebuda
Q llauna = Q aigua
m₁ c₁ ΔT = m₂ c₂ ΔT
(3)(1.400)(80-20) = (10)(4.200)(20-T)
(4.200)(60) = (42.000)(20-T)
252.000 = 840.000 – 42.000 T
42.000 T = 840.000 – 252.000
42.000 T = 588.000
T = 588.000/42.000
T = 14
La temperatura inicial de l'aigua és de 14^oC.
La resposta correcta és C.

15. Gel amb una massa de M grams a una temperatura de 0^oC, posat en aigua que pesa 340 grams a una temperatura de 20^oC col·locat en un recipient especial. Suposeu que el recipient no absorbeix/allibera calor. Si L_es = 80 cal/g^-1, C_aire = 1 cal/g^{-1 o}C^-1, tot el gel es va fondre i equilibri tèrmic aconseguit a una temperatura de 5^oC, aleshores la massa de gel (M) és…

A. 60 grams
B. 68 grams
C. 75 grams
D. 80 grams
E. 170 grams

Discussió
És conegut :
Massa d'aigua (m) = 340 grams
Temperatura del gel (T_es) = 0^oC
Suhu aigua (T_aire) = 20^oC
Temperatura d'equilibri tèrmic (T) = 5^oC
Calor de fusió del gel (L_es) = 80 cal g^-1
Calor específica de l'aigua (c_aire) = 1 cal g^{-1 o}C^-1
Preguntat Massa de gel (M)
Jawab :

Principi Negre afirma que en un sistema tancat aïllat, la calor alliberada per un objecte a alta temperatura és la mateixa que la calor absorbida per un objecte a baixa temperatura.
Calor alliberada per l'aigua (Q alliberada) = calor absorbida pel gel (Q absorbida)
m_aire c_aire (T) = m_es L_es +m_es c_aire (T)
(340)(1)(20-5) = M (80) + M (1)(5-0)
(340)(15) = 80M + 5M
5100 = 85M
M = 5100/85
M = 60 grams
La resposta correcta és A.

Catatan:
Si s'afirma que el gel té una temperatura de 0^o aleshores l'aigua encara està en forma sòlida. Si s'indica que la temperatura de l'aigua és 0^oC, aleshores l'aigua està en forma líquida. Diferencia l'ús de les paraules gel i aigua. Com que l'aigua encara està en forma sòlida o de gel, la calor absorbida primer s'utilitza per fondre tot el gel en aigua, per tant, al costat dret de l'equació anterior, s'afegeix una fórmula per calcular la quantitat de calor per fondre el gel (m_es L_es). Després que tot el gel s'hagi fos i s'hagi convertit en aigua, s'utilitza calor addicional per augmentar la temperatura del gel des de 0^oC es converteix en 5^oC.

Font de la pregunta:

Preguntes de física de l'examen nacional per a secundària/institut professional