Calor y cambio de fase: problemas y soluciones.
1. Según la gráfica, ¿cuál es el calor absorbido por 5 kg de agua durante el proceso CD? Calor específico del agua = 4,200 J/kg ° C.
Conocido :
Masa (m) = 5 kg
Calor específico del agua (c) = 4200 J/kg ° C
Temperatura inicial (T 1 ) = 0 ° C
Temperatura final (T2 ) = 10 ° C
El cambio de temperatura (ΔT) = 10 ° C – 0 ° C = 10 ° C
Se busca: Heat (Q)
solución:
Q = mc ΔT = (5 kg)(4200 J/kg ° C)(10 ° C) = (5)(4200 J)(10) = (50)(4200 J) = 210 000 julios
2. ¿Cuál es el calor absorbido por 20 gramos de hielo durante el proceso AC, si el calor específico del hielo es 2100 J/kg ° C y el calor de fusión del hielo es 336 000 J/kg?
Conocido :
Masa de hielo (m) = 200 gramos = 200/1000 kilogramos = 0.2 kilogramos
Calor específico (c) = 2100 J/kg ° C
Calor de fusión del hielo (L F ) = 336,000 J/kg
Se busca: Calor absorbido por el hielo durante el proceso de aire acondicionado.
solución:
Durante el proceso AB, el hielo absorbe calor, lo que provoca que su temperatura cambie de -10 ° C a 0 ° C.
Q = mc ΔT
Q = calor, m = masa de hielo, c = calor específico del hielo, ΔT = cambio de temperatura
Q 1 = mc ΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = (0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 Julios
Durante el proceso BC, se absorbe calor para derretir todo el hielo y convertirlo en agua. En este proceso solo cambia la fase y no hay variación de temperatura. La temperatura del hielo y del agua permanece constante a 0 ° C.
Calor absorbido durante el proceso BC:
Q 2 = m L F = (0.2 kg)(336 000 J/kg) = 67 200 julios
Calor absorbido durante el proceso de CA:
Q = Q 1 + Q 2 = 4200 julios + 67,200 julios = 71,400 julios
3. Se calientan 2 kg de agua, y el calor de vaporización del agua es 2.27 x 10⁶ J /kg, el calor específico del agua es 4,200 J/kg ° C y la presión atmosférica es 1 atm, ¿cuál es el calor absorbido por el agua durante el proceso BC?
Conocido :
Masa (m) = 2 kg
Calor de vaporización del agua (L V ) = 2.27 x 10 6 J/kg
Calor específico del agua (c) = 4,200 J/kg ° C
Se busca: Calor absorbido durante el proceso BC.
solución:
En el proceso AB, se absorbe calor para aumentar la temperatura del agua de 60 ° C a 100 ° C.
Q = m L V = (2 kg)(2.27 x 10⁶ J /kg) = 4.54 x 10⁶ Julios = 4540 x 10³ Julios = 4540 kilojulios
4. Según la figura siguiente, si la masa de hielo es de 500 gramos, el calor específico es de 2100 J/kg ° C y el calor latente de fusión del hielo es de 336 000 J/kg. Determine el calor necesario en el proceso P–Q–R.
Conocido :
Masa de hielo (m) = 500 gramos = 500/1000 kg = 0.5 kg
Calor específico del hielo (c) = 2100 J/kg ° C
Calor latente de fusión (L F ) = 336,000 J/kg
Se busca: Calor
solución:
Proceso PQ = calor absorbido para elevar la temperatura del hielo de -4 ° C a 0 ° C.
Proceso QR = calor absorbido por el hielo para derretir todo el hielo y convertirlo en agua.
El calor absorbido durante el proceso PQ se calcula mediante la siguiente ecuación:
Q = mc ΔT
Q = calor, m = masa, c = calor específico del hielo, ΔT = cambio de temperatura
El calor absorbido por el hielo durante el proceso PQ se calculó utilizando esta ecuación:
Q = (0.5 kg)(2100 J/kg o C)(0 o C-(-4 o C))
Q = (0.5 kg)(2100 J/kg o C)(0 o C + 4 o C)
Q = (0.5 kg)(2100 J/kg o C)(4 o C)
Q = (0.5)(2100 J)(4)
Q = 4200 julios
El calor absorbido durante el proceso QR se calcula utilizando esta ecuación:
Q = m L F
Q = (0.5 kg)(336,000 J/kg)
Q = (0.5)(336,000 J)
Q = 168,000 julios
Calor total:
Q = 4200 julios + 168 000 julios
Q = 172,200 julios
Q = 172.2 kilojulios
Q = 172.2 kJ
5. Hielo con una masa de 50 gramos calentado desde -5 ° C en agua a 60 ° C. Si el calor de fusión del hielo es 80 cal/gramo, el calor específico del hielo es 0.5 cal/gramo ° C, el calor específico del agua es 1 cal/gramo ° C, determine el calor requerido en el proceso CD.
Conocido :
Masa de hielo = masa de agua (m) = 50 gramos 
Calor latente de fusión del hielo (L F ) = 80 calorías/gramo
Calor específico del hielo (c hielo) = 0.5 cal/gramo ° C
Calor específico del agua (c agua) = 1 cal/gramo ° C
Se busca: Calor necesario en el proceso CD
solución:
En el proceso A a B, se utiliza calor para elevar la temperatura del hielo de -5 ° C a 0 ° C. El calor se calcula mediante esta ecuación: Q = mc ΔT, donde Q = calor, m = masa de hielo, c = calor específico del hielo, ΔT = cambio de temperatura de -5 ° C a 0 ° C.
En el proceso B a C, se utiliza calor para derretir todo el hielo y convertirlo en agua. En este proceso, la temperatura no cambia. El calor se calcula mediante la siguiente ecuación: Q = m L F , donde Q = calor, m = masa de hielo, L F = calor latente de fusión del hielo.
En el proceso C a D, se utiliza calor para elevar la temperatura del agua de 0 ° C a 60 ° C. El calor se calcula mediante esta ecuación: Q = mc ΔT, donde Q = calor, m = masa de agua, c = calor específico del agua, ΔT = cambio de temperatura de 0 ° C a 60 ° C.
El calor necesario del proceso C al D:
Q = mc ΔT = (50 gramos)(1 cal/gramo ° C)(60 ° C - 0 ° C) = (50)(1)(60) cal = 3000 cal
6. Si la masa de hielo es 1 kg, el calor específico del hielo es 2100 J/kg ° C, el calor latente de fusión del hielo es 336 000 J/kg y el calor específico del agua es 4200 J/kg ° C, entonces determine el calor requerido en el proceso PQR.
Conocido :
Masa de hielo = 1 kg
Calor latente de fusión del hielo (L F ) = 336,000 J/kg
Calor específico del hielo (c hielo) = 2,100 J/kg ° C
Calor específico del agua (c agua) = 4,200 J/kg ° C
Se busca: Calor necesario en el proceso PQR
solución:
En el proceso P a Q, se utiliza calor para elevar la temperatura del hielo de -5 ° C a 0 ° C. El calor se calcula mediante esta ecuación: Q = mc ΔT, donde Q = calor , m = masa de hielo , c = calor específico del hielo, ΔT = cambio de temperatura de -5 ° C a 0 ° C.
Calor requerido en el proceso P a Q:
Q = mc ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 Julios
En el proceso Q a R, el calor necesario para derretir todo el hielo y convertirlo en agua. En este proceso, la temperatura no cambia. El calor se calcula usando esta ecuación: Q = m L F , donde Q = calor , m = masa de hielo , L F = calor latente de fusión del hielo.
Calor requerido en el proceso Q a R:
Q = m L F = (1)(336,000) = 336,000 julios
Calor total:
10,500 + 336,000 = 346,500 julios
- ¿Qué es el calor latente?
- RespuestaEl calor latente es la energía térmica necesaria para cambiar la fase de una sustancia sin modificar su temperatura. Representa la energía necesaria para romper o formar enlaces intermoleculares durante los cambios de fase.
- ¿Por qué la temperatura permanece constante durante un cambio de fase?
- RespuestaDurante un cambio de fase, toda la energía térmica suministrada o extraída se utiliza para modificar la fase de la sustancia. Esta energía se emplea para romper o formar enlaces intermoleculares, no para aumentar la energía cinética ni la temperatura de la sustancia.
- ¿Cuál es la diferencia entre el calor latente de fusión y el calor latente de vaporización?
- RespuestaEl calor latente de fusión se refiere a la energía calorífica necesaria para transformar una sustancia de estado sólido a líquido (o viceversa) en su punto de fusión. El calor latente de vaporización se refiere a la energía calorífica necesaria para transformar una sustancia de estado líquido a gaseoso (o viceversa) en su punto de ebullición.
- ¿Por qué sentimos frío al salir de una piscina en un día ventoso, incluso si la temperatura del aire es cálida?
- RespuestaCuando el agua se evapora de nuestra piel, experimenta un cambio de fase, pasando de líquido a vapor. Este proceso requiere energía, que se extrae de nuestra piel en forma de calor, lo que provoca que sintamos que nuestra piel se enfría.
- ¿Por qué el vapor a 100 °C es más peligroso que el agua hirviendo a 100 °C?
- RespuestaEl vapor contiene más energía que el agua hirviendo porque ha absorbido el calor latente de vaporización durante el cambio de fase del agua al vapor. Cuando el vapor se condensa en la piel, libera esta energía adicional, provocando quemaduras más graves que el agua hirviendo.
- ¿Cómo influye la adición de sal al hielo en la disminución de su punto de fusión?
- RespuestaAl añadir sal, se altera el equilibrio entre la fusión y la congelación de la mezcla de hielo y agua. Esto provoca que se derrita más hielo a una temperatura inferior a la habitual, lo que reduce el punto de congelación de la mezcla.
- ¿Por qué la sudoración ayuda a enfriar el cuerpo en un día caluroso?
- RespuestaEl sudor, al evaporarse de la piel, experimenta un cambio de fase de líquido a gas. Este proceso de evaporación requiere energía, que se extrae de la piel, enfriándola.
- ¿Qué es la sublimación en el contexto de los cambios de fase?
- RespuestaLa sublimación es el cambio de fase directo de sólido a gas sin pasar por la fase líquida. Un ejemplo común es el hielo seco (dióxido de carbono sólido) que se transforma directamente en dióxido de carbono gaseoso.
- ¿Por qué se necesita energía térmica para derretir el hielo aunque la temperatura se mantenga a 0 °C?
- RespuestaLa energía térmica se utiliza para romper los enlaces intermoleculares que mantienen el hielo en su estructura sólida. Una vez rotos estos enlaces, el hielo pasa a la fase líquida, aunque no haya cambio de temperatura.
- ¿Cómo afecta la presión al punto de ebullición de un líquido?
- RespuestaEn general, aumentar la presión externa eleva el punto de ebullición de un líquido, mientras que disminuirla lo reduce. Por eso, el agua hierve a temperaturas inferiores a 100 °C en altitudes elevadas, donde la presión atmosférica es menor.
