Ejemplos de preguntas sobre el principio de Black

15 ejemplos de preguntas del principio de Black

1. Se mezclan 0,2 kg de hielo con 0,2 kg de té caliente. La temperatura del hielo es de –10 °C.^oTemperatura del té caliente = 40 °C^oC. Calor específico del hielo = 2100 J/kg °C^o, calor específico del agua = 4200 J/kg °C^oEl calor de fusión del agua es de 334 000 J/kg. Si se mezclan hielo y té caliente en un sistema cerrado aislado, determine la temperatura final de la mezcla.

Discusión
Es conocida :
Masa de hielo (m es) = 0,2 kg
Masa de agua caliente para té (m té) = 0,2 kg
Calor específico del agua (c agua) = 4180 J/kg °C^o
Calor específico del hielo (c es) = 2100 J/kg °C^o
Calor de fusión del agua (L)_f agua) = 334.000 J/kg
Temperatura del hielo (T es) = -10^oC
Temperatura del agua para el té caliente (T té) = 40^oC
Preguntó ¿Temperatura final de la mezcla (T mezcla)?
Mandíbula :
Primer paso: estimar el estado final.
El calor que debe liberar el agua para bajar la temperatura de 0,2 kg de té caliente desde 40^oC a 0^oC:
El calor absorbido por 0,2 kg de hielo para elevar su temperatura de -10^oC a 0^oC:
Calor absorbido para derretir 0,2 kg de hielo (calor necesario para convertir todo el hielo en agua):
Con base en los cálculos anteriores, se obtuvieron los siguientes resultados:
Q liberado = 33,444 kJ
Q recibida = 4,2 kJ
Q fusión = 66,8 kJ

Cuando el té caliente libera 33,44 kJ de calor, su temperatura cambia de 40 °C a 0 °C. Parte del calor liberado (unos 4,2 kJ) se utiliza para elevar la temperatura del hielo de -10 °C a 0 °C. ^oC a 0^oC. 33,44 kJ – 4,2 kJ = 29,24 kJ. Para derretir todo el hielo y convertirlo en agua, se requieren 66,8 kJ de calor. El calor restante es de 29,24 kJ.

Se puede concluir que el calor liberado por el té caliente se utiliza únicamente para elevar la temperatura del hielo desde -10 ^oC a 0^oC y derrite parte del hielo. Parte del hielo se ha convertido en agua, parte no. Durante el proceso de cambio de sólido a líquido, la temperatura no cambia. Por lo tanto, la temperatura final de la mezcla es 0^oC.

2. Masa de té caliente = 0,4 kg, masa de hielo = 0,2 kg, temperatura de los cubitos de hielo = -10^oTemperatura del té caliente = 90 °C^oC. Si se mezclan ambos, ¿cuál es la temperatura final de la mezcla?
Discusión
Primer paso: estimar el estado final.
El calor que debe liberar el agua para bajar la temperatura de 0,4 kg de agua caliente para té desde 90^oC a 0^oC:
El calor recibido por 0,2 kg de hielo para elevar su temperatura de -10^oC a 0^oC:
El calor necesario para derretir 0,2 kg de hielo (el calor necesario para convertir todo el hielo en agua):
Con base en los cálculos anteriores, se obtuvieron los siguientes resultados:
Q liberado = 150,48 kJ
Q recibida = 4,2 kJ
Q fusión = 66,8 kJ
Cuando el té caliente libera 150,48 kJ de calor, su temperatura cambia de 90 °C a 0 °C. Parte del calor liberado (4,2 J) se utiliza para elevar la temperatura del hielo de -10 °C a 0 °C. 150,48 kJ – 4,8 kJ = 146,28 kJ. El calor restante es de 146,28 kJ.
El calor necesario para derretir todo el hielo y convertirlo en agua es de solo 66,8 kJ. 146,28 kJ – 66,8 kJ = 79,48 kJ. El té caliente no necesita liberar todo su calor hasta que su temperatura baje a 0.^oC. En conclusión, la temperatura final de la mezcla debe ser mayor que 0^oC.

Segundo paso: determinar la temperatura final (T).
El calor necesario para elevar la temperatura del hielo desde -10^oC a 0^oC es 4200 J.
El calor necesario para derretir todo el hielo y convertirlo en agua (calor latente) = 66.800 J
El calor necesario para elevar la temperatura del agua (agua resultante de derretir todo el hielo) desde 0^oDe C a T^oC = (masa de hielo)(calor específico del agua)(T – 0) = (0,2)(4180)(T) = 836 T
El calor liberado por el té caliente para bajar su temperatura de 90 °C a T = (densidad del agua)(90 - T) = (0,4)(4180)(90 - T) = 1672 (90 - T) = 150 480 - 1672 T

 

3. 60 gramos de agua a una temperatura de 90^oC (calor específico del agua = 1 cal.g^-1.^oC^-1) mezclado con 40 gramos de agua similar a una temperatura de 25^oC. Si ningún otro factor afecta este proceso, entonces la temperatura final de la mezcla es…

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

Discusión
Es conocida :
Masa de agua 1 (m₁) = 60 gramos
Temperatura del agua 1 (T₁) = 90^oC
Masa de agua 2 (m₂) = 40 gramos
Temperatura del agua 2 (T₂) = 25^oC
calor específico agua (c) = 1 cal.g^-1.^oC^-1
Preguntó : Suhu mezcla final
Mandíbula :
El calor liberado por el agua a alta temperatura (Q liberado) es igual al calor absorbido por el agua a baja temperatura (Q absorbido).
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 respuesta correcta es D.

4. Un trozo de aluminio tiene una masa de 500 gramos y una temperatura de 30 ^oSe coloca C en un recipiente que contiene agua con una masa de 200 gramos y una temperatura de 90 ^oC. Si se sabe que el calor específico del aluminio es 0,22 cal/g C^o y el calor específico del agua es 1 cal/g °C.^o, entonces la temperatura final del agua y del aluminio es...
A. 20,3 ^oC
B. 42,2 ^oC
C. XNUM ^oC
D. 80,5 ^oC
E. 100 ^oC
Discusión :
La unidad de masa, gramos (g), no necesita convertirse a kilogramos (kg) porque el calor específico del aluminio y el calor específico del agua se expresan en cal/g °C.^o.
Es conocida :
m aluminio = 500 gramos
c aluminio = 0,22 cal/gC^o
Aluminio T = 30 ^oC
m de agua = 200 gramos
c agua = 1 cal/gC^o
T agua = 90 ^oC
Preguntó :
¿Temperatura final (T) del agua y del aluminio?
Mandíbula :

Fórmula de calor : Q = (m)(c)(delta T)

Q agua = = (200 gramos)(1 cal/gC^o) (90 ^oC – T)
Q aluminio = (500 gramos)(0,22 cal/gC^o(T– 30 ^oC)

La fórmula básica de Black :P _lepas = Q _serap

El agua tiene una temperatura inicial más alta (90 ^oC) para que el agua libere calor, el aluminio tiene una temperatura inicial más baja (30 ^oC) para que el aluminio absorba calor. La temperatura final de la mezcla de agua y aluminio debe ser inferior a la temperatura inicial del agua y superior a la temperatura inicial del aluminio.
(200 gramos)(1 cal/gC^o) (90 ^oC – T) = (500 gramos)(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 combinación de agua y aluminio es de 68,7. ^oC.
La respuesta correcta es C.

5. Un trozo de metal con una masa de 300 gramos a una temperatura de 80 ^oC sumergido en 200 gramos de agua a 40 ^oC. Calor específico del agua = 1 cal/g °C^oSi la temperatura final de la mezcla de metal y agua es de 50^o Si C y el recipiente no absorbe calor, entonces el calor específico del metal es…
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
Discusión :
Es conocida :
m metal = 300 gramos
Metal T = 80 ^oC
m de agua = 200 gramos
T agua = 40 ^oC
c agua = 1 cal/g C^o
Mezcla final de metal y agua = 50 ^oC
Preguntó :
¿metal c?
Mandíbula :
Q metal = (m)(c)(delta T) = (300 gramos)(c metal)(80^oC - 50^oC) = (300 gramos)(metal c)(30 C^o)
Q agua = (m)(c)(delta T) = (200 gramos)(1 cal/g C^o) (60^oC - 50^oC) = (200 gramos)(1 cal/g C^o(10 C)^o)

La fórmula básica de Black :P _lepas = Q _serap

El metal tiene una temperatura inicial más alta (80 ^oC) para que el metal libere calor, el agua tiene una temperatura inicial más baja (40 ^oC) para que el agua absorba el calor.
(300 gramos)(metal c)(30 °C)^o) = (200 gramos)(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
El calor específico del metal es 0,22 cal/g °C.^o.
La respuesta correcta es B.

6. Dos bolas idénticas tienen la misma temperatura de 40 ^oC, las dos bolas tienen masas de 10 gramos y 40 gramos respectivamente. Ambas bolas se colocan en un fluido, de modo que la temperatura de ambas bolas aumenta a 60^oC. Si el calor específico de la bola es 2 cal/g C^o y 1 caloría = 4,2 julios, entonces la diferencia de calor absorbido por cada bola es...
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
Discusión :
Es conocida :
m₁ = 10 gramos
m₂ = 40 gramos
T₁ = T₂ = 40 ^oC
T _ajir = 60 ^oC
bola c = 2 cal/g C^o
Preguntó :
¿Cuál es la diferencia en el calor absorbido por cada bola?
Mandíbula :
La temperatura de ambas bolas aumenta porque ambas deben absorber 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 julios
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 julios
La diferencia en el calor absorbido por cada bola:
6720 J – 1680 J = 5040 J = 5,04 x 10³ J
La respuesta correcta es A.

7. Se mezclan 200 gramos de agua a 30 °C con 100 gramos de agua hirviendo a 90 °C. (Calor específico del agua = 1 cal/gramo).^-1° C^-1). La temperatura del agua mezclada en el momento del equilibrio térmico es….

A. 10°C

B. 30°C

C. 50°C

D. 75°C

E. 150°C

Discusión

Es conocida :

Masa de agua 1 (m₁) = 200 gramos

Temperatura del agua 1 (T₁) = 30^oC

Masa de agua 2 (m₂) = 100 gramos

Temperatura del agua 2 (T₂) = 90^oC

Calor específico del agua (c) = 1 cal/gramo^-1° C^-1

Preguntó : temperatura final de la mezcla

Mandíbula :

El calor liberado por el agua a alta temperatura (Q liberado) es igual al calor absorbido por el agua a baja temperatura (Q absorbido).

La respuesta correcta es C.

8. Unir hasta 60 gramos a una temperatura de 90^oC (calor específico del agua = 1 cal.g^-1.^oC^-1) mezclado con 40 gramos de agua similar a una temperatura de 25^oC. Si ningún otro factor afecta este proceso, entonces la temperatura final de la mezcla es…

A. 15,4 ^oC

B. 23,0 ^oC

C. XNUM ^oC

D. 64,0 ^oC

E. 77,0 ^oC

Discusión

Es conocida :

Masa de agua 1 (m₁) = 60 gramos

Temperatura del agua 1 (T₁) = 90^oC

Masa de agua 2 (m₂) = 40 gramos

Temperatura del agua 2 (T₂) = 25^oC

Calor específico del agua (c) = 1 cal/g^-1.^oC^-1

Preguntó : temperatura final de la mezcla

Mandíbula :

El calor liberado por el agua a alta temperatura (Q liberado) es igual al calor absorbido por el agua a baja temperatura (Q absorbido).

La respuesta correcta es D.

9. Hielo con una masa de M gramos a una temperatura de 0^oC, puesto en agua que pesa 340 gramos a una temperatura de 20^oC se coloca en un recipiente especial. Suponga que el recipiente no absorbe ni libera calor. Si L_es = 80 cal g^-1, c_aire = 1 cal g^{-1 o}C^-1Todo el hielo se derrite y se alcanza el equilibrio térmico a una temperatura de 5.^oC, entonces la masa de hielo (M) es…

A. 60 gramos

B. 68 gramos

C. 75 gramos

D. 80 gramos

E. 170 gramos

Discusión

Es conocida :

Masa de agua (m) = 340 gramos

Temperatura del hielo (T_es) = 0^oC

Temperatura del agua (T_aire) = 20^oC

Temperatura de equilibrio térmico (T) = 5^oC

Calor de fusión del hielo (L_es) = 80 cal g^-1

Calor específico del agua (c_aire) = 1 cal g^{-1 o}C^-1

Preguntó Masa de hielo (M)

Mandíbula :

Principio negro Establece que, en un sistema cerrado aislado, el calor liberado por un objeto a alta temperatura es el mismo que el calor absorbido por un objeto a baja temperatura.

El calor liberado por el agua (Q liberado) es igual al calor absorbido por el hielo (Q absorbido).

La respuesta correcta es A.

Nota:

Si se afirma que el hielo tiene una temperatura de 0^o entonces el agua todavía está en estado sólido. Si se afirma que la temperatura del agua es 0^oC entonces el agua está en estado líquido. Diferencie el uso de las palabras hielo y agua. Debido a que el agua todavía está en estado sólido o hielo, el calor absorbido primero se utiliza para derretir todo el hielo y convertirlo en agua; por lo tanto, en el lado derecho de la ecuación anterior, se agrega una fórmula para calcular la cantidad de calor necesaria para derretir el hielo (m_es L_es). Después de que todo el hielo se haya derretido en agua, se utiliza calor adicional para elevar la temperatura del hielo desde 0^oC se convierte en 5^oC.

10. Metal de cobre a una temperatura de 100^oSe introduce C en agua con una masa de 128 gramos y una temperatura de 30 ^oC. Calor específico del agua 1 cal/g^-1oC^-1 y el calor específico del cobre es 0,1 cal/g.^-1oC^-1. Si el equilibrio térmico se produce a una temperatura de 36 ^oC, entonces la masa del metal es….

A. 140 gramos

B. 120 gramos

C. 100 gramos

D. 80 gramos

E. 75 gramos

Discusión

Se sabe que:

Temperatura del cobre (T₁) = 100 ^oC

Calor específico del cobre (c₁) = 0,1 cal.g^-1oC^-1

Masa de agua (m₂) = 128 gramos

Temperatura del agua (T₂) = 30 ^oC

Calor específico del agua (c₂) = 1 cal.g^-1oC^-1

Temperatura de equilibrio térmico (T) = 36 ^oC

Preguntó: Masa de cobre (m₁)

Respuesta :

El principio de Black establece que el calor liberado por un objeto a alta temperatura es igual al calor recibido por un objeto a baja temperatura.

La respuesta correcta es B.

11. Tres kilogramos de varilla de plomo negro con un calor específico de 1400 J/kg.^-1C^-1 temperatura 80^oC está sumergido en 10 kg de agua con un calor específico de 4200 J/kg.^-1C^-1Una vez alcanzado el equilibrio térmico, la temperatura final de la mezcla es de 20 °C.^oC. La temperatura inicial del agua es…

A. 20 ^oC

B. 18 ^oC

C. XNUM ^oC

D. 12 ^oC

E. 10 ^oC

Discusión

Se sabe que:

Masa de plomo (m₁) = 3 kg

Calor específico del estaño (c₁) = 1400 J.kg^-1C^-1

Temperatura de estaño (T₁) = 80 ^oC

Masa de agua (m₂) = 10 kg

Calor específico del agua (c₂) = 4200 J.kg^-1C^-1

Temperatura de equilibrio térmico (T) = 20 ^oC

Preguntó: Temperatura inicial del agua (T₂)

Respuesta :

La respuesta correcta es C.

12. Una moneda de 50 gramos se calienta a una temperatura de 85^oC, luego sumergido en un recipiente que contenía 50 gramos de agua a una temperatura de 29,8^oC (calor específico del agua = 1 cal.g^-1.^oC^-1). Si la temperatura final del sistema es 37^oSi suponemos que no hay transferencia de calor a través del recipiente, entonces el calor específico del metal es…

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

Discusión

Se sabe que:

Masa de la moneda (m) = 50 gramos

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

Masa de agua (m) = 50 gramos

Temperatura inicial del agua (T₂) = 29,8^oC

Calor específico del agua = 1 cal/g^-1.^oC^-1

Temperatura final del sistema (T) = 37^oC

Preguntó: Calor específico del metal (c)

Respuesta :

El principio de Black establece que el calor liberado es igual al calor absorbido. La moneda libera calor y el agua lo absorbe hasta alcanzar el equilibrio térmico.

Todas las unidades se expresan en gramos, por lo que no es necesario convertirlas.

Q _lepas = Q _serap

m_acceder c ΔT = m_aire c ΔT

(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. Metal de cobre a una temperatura de 100^oSe introduce C en agua con una masa de 128 gramos y una temperatura de 30 ^oC. Calor específico del agua 1 cal/g^{-1 o}C^-1 y el calor específico del cobre es 0,1 cal/g.^{-1 o}C^-1. Si el equilibrio térmico se produce a una temperatura de 36 ^oC, entonces la masa del metal es….

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

Discusión
Se sabe que:
Temperatura del cobre (T₁) = 100 ^oC
Calor específico del cobre (c₁) = 0,1 cal.g^{-1 o}C^-1

Masa de agua (m₂) = 128 gramos
Temperatura del agua (T₂) = 30 ^oC
Calor específico del agua (c₂) = 1 cal.g^{-1 o}C^-1

Temperatura de equilibrio térmico (T) = 36 ^oC
Pregunta: Masa de cobre (m₁)
Respuesta :

El principio de Black establece que el calor liberado por un objeto a alta temperatura es igual al calor recibido por un objeto a baja temperatura.
Q cobre = Q agua
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 masa de cobre es de 120 gramos.
La respuesta correcta es B.

14. Tres kilogramos de varilla de plomo negro con un calor específico de 1400 J/kg.^-1 C^-1 temperatura 80^oC está sumergido en 10 kg de agua con un calor específico de 4200 J/kg.^-1 C^-1Una vez alcanzado el equilibrio térmico, la temperatura final de la mezcla es de 20 °C.^oC. La temperatura inicial del agua es…

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

Discusión
Se sabe que:
Masa de plomo (m₁) = 3 kg
Calor específico del estaño (c₁) = 1400 J.kg^-1 C^-1
Temperatura de estaño (T₁) = 80 ^oC

Masa de agua (m₂) = 10 kg
Calor específico del agua (c₂) = 4200 J.kg^-1 C^-1

Temperatura de equilibrio térmico (T) = 20 ^oC
Se busca: Temperatura inicial del agua (T₂)
Respuesta :
Q liberada = Q recibida
Q estaño = Q agua
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 del agua es 14^oC.
La respuesta correcta es C.

15. Hielo con una masa de M gramos a una temperatura de 0^oC, puesto en agua que pesa 340 gramos a una temperatura de 20^oC se coloca en un recipiente especial. Suponga que el recipiente no absorbe ni libera calor. Si L_es = 80 cal g^-1, c_aire = 1 cal g^{-1 o}C^-1, todo el hielo se derritió y equilibrio térmico logrado a una temperatura de 5^oC, entonces la masa de hielo (M) es…

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

Discusión
Es conocida :
Masa de agua (m) = 340 gramos
Temperatura del hielo (T_es) = 0^oC
Temperatura agua (T_aire) = 20^oC
Temperatura de equilibrio térmico (T) = 5^oC
Calor de fusión del hielo (L_es) = 80 cal g^-1
Calor específico del agua (c_aire) = 1 cal g^{-1 o}C^-1
Preguntó Masa de hielo (M)
Mandíbula :

Principio negro Establece que, en un sistema cerrado aislado, el calor liberado por un objeto a alta temperatura es el mismo que el calor absorbido por un objeto a baja temperatura.
El calor liberado por el agua (Q liberado) es igual al calor absorbido por el hielo (Q absorbido).
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 = 85 millones
METRO = 5100/85
M = 60 gramos
La respuesta correcta es A.

Nota:
Si se afirma que el hielo tiene una temperatura de 0^o entonces el agua todavía está en estado sólido. Si se afirma que la temperatura del agua es 0^oC entonces el agua está en estado líquido. Diferencie el uso de las palabras hielo y agua. Debido a que el agua todavía está en estado sólido o hielo, el calor absorbido primero se utiliza para derretir todo el hielo y convertirlo en agua; por lo tanto, en el lado derecho de la ecuación anterior, se agrega una fórmula para calcular la cantidad de calor necesaria para derretir el hielo (m_es L_es). Después de que todo el hielo se haya derretido en agua, se utiliza calor adicional para elevar la temperatura del hielo desde 0^oC se convierte en 5^oC.

Fuente de la pregunta:

Preguntas del examen nacional de física para la escuela secundaria superior/escuela secundaria vocacional