Exemplos de preguntas sobre o Principio Negro

15 exemplos de preguntas sobre o principio de Black

1. Mestúrase xeo que pesa 0,2 kg con té quente que pesa 0,2 kg. A temperatura do xeo = – 10^oC, temperatura do té quente = 40^oC. Calor específico do xeo = 2100 J/kg C^o, calor específico da auga = 4200 J/kg C^o, a calor de fusión da auga = 334.000 J/kg. Se se mesturan xeo e té quente nun sistema pechado illado, determina a temperatura final da mestura.

Discusión
É coñecido :
Masa do xeo (m² es) = 0,2 kg
Masa de auga morna para o té (m² de té) = 0,2 kg
Calor específico da auga (c auga) = 4180 J/kg C^o
Calor específico do xeo (c es) = 2100 J/kg C^o
Calor de fusión da auga (L)_f auga) = 334.000 J/kg
Temperatura do xeo (T es) = -10^oC
Temperatura da auga morna do té (T té) = 40^oC
Preguntado/a : temperatura final da mestura (T mestura) ?
Jawab :
Primeiro paso, estimar o estado final.
A calor que debe liberar a auga para baixar a temperatura de 0,2 kg de té quente de 40^oDe C a 0^oC:
A calor absorbida por 0,2 kg de xeo para elevar a súa temperatura de -10^oDe C a 0^oC:
Calor absorbida para derreter 0,2 kg de xeo (calor necesaria para converter todo o xeo en auga):
En base aos cálculos anteriores, obtivéronse os seguintes resultados:
Q liberada = 33,444 kJ
Q recibida = 4,2 kJ
Q de fusión = 66,8 kJ

Cando o té quente libera 33,44 kJ de calor, a súa temperatura cambia de 40 °C a 0 °C. Parte da calor liberada (uns 4,2 kJ) utilízase para elevar a temperatura do xeo de -10 °C a 0 °C. ^oDe C a 0^oC. 33,44 kJ – 4,2 kJ = 29,24 kJ. Para derreter todo o xeo e convertelo en auga, necesítanse 66,8 kJ de calor. A calor restante é de 29,24 kJ.

Pódese concluír que a calor liberada polo té quente só se usa para elevar a temperatura do xeo de -10 ^oDe C a 0^oC e derrete parte do xeo. Parte do xeo converteuse en auga, parte non. Durante o proceso de cambio de sólido a líquido, a temperatura non cambia. Polo tanto, a temperatura final da mestura é 0^oC.

2. Masa do té quente = 0,4 kg, masa do xeo = 0,2 kg, temperatura dos cubos de xeo = -10^oC, temperatura do té quente = 90^oC. Se ambas se mesturan, cal é a temperatura final da mestura?
Discusión
Primeiro paso: estimar o estado final
A calor que debe liberar a auga para baixar a temperatura de 0,4 kg de auga quente para o té de 90^oDe C a 0^oC:
A calor recibida por 0,2 kg de xeo para elevar a súa temperatura de -10^oDe C a 0^oC:
A calor necesaria para derreter 0,2 kg de xeo (a calor necesaria para transformar todo o xeo en auga):
En base aos cálculos anteriores, obtivéronse os seguintes resultados:
Q liberada = 150,48 kJ
Q recibida = 4,2 kJ
Q de fusión = 66,8 kJ
Cando o té quente libera 150,48 kJ de calor, a temperatura do té quente cambia de 90 °C a 0 °C. Parte da calor liberada (4,2 J) úsase para elevar a temperatura do xeo de -10 °C a 0 °C. 150,48 kJ – 4,8 kJ = 146,28 kJ. A calor restante = 146,28 kJ.
A calor necesaria para derreter todo o xeo en auga é de só 66,8 kJ. 146,28 kJ – 66,8 kJ = 79,48 kJ. O té quente non necesita liberar toda a súa calor ata que a súa temperatura baixe a 0^oC. En conclusión, a temperatura final da mestura debe ser superior a 0^oC.

Segundo paso: determinar a temperatura final (T)
A calor necesaria para elevar a temperatura do xeo de -10^oDe C a 0^oC é 4200 J.
A calor necesaria para fundir todo o xeo e convertelo en auga (calor latente) = 66.800 J
A calor necesaria para elevar a temperatura da auga (a auga resultante da fusión de todo o xeo) desde 0^oC a T^oC = (masa do xeo)(calor específico da auga)(T – 0) = (0,2)(4180)(T) = 836 T
A calor liberada polo té quente para baixar a súa temperatura de 90 °C a T = (densidade da auga)(90 - T) = (0,4)(4180)(90 – T) = 1672 (90 - T) = 150.480 – 1672 T

 

3. 60 gramos de auga a unha temperatura de 90^oC (calor específico da auga = 1 cal.g^-1.^oC^-1) mesturado con 40 gramos de auga similar a unha temperatura de 25^oC. Se ningún outro factor afecta este proceso, entón a temperatura final da mestura é…

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

Discusión
É coñecido :
Masa de auga 1 (m₁) = 60 gramos
Temperatura da auga 1 (T₁) = 90^oC
Masa de auga 2 (m₂) = 40 gramos
Temperatura da auga 2 (T₂) = 25^oC
Calor específico auga (c) = 1 cal.g^-1.^oC^-1
Preguntado/a : suhu mestura final
Jawab :
Calor liberada pola auga a alta temperatura (Q liberada) = calor absorbida pola auga 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
A resposta correcta é D.

4. Unha peza de aluminio ten unha masa de 500 gramos e unha temperatura de 30 ^oColócase C nun recipiente que contén auga cunha masa de 200 gramos e unha temperatura de 90 ^oC. Se se sabe que a calor específica do aluminio é de 0,22 cal/g C^o e a calor específica da auga é de 1 cal/g °C^o, entón a temperatura final da auga e do aluminio é...
A. 20,3 ^oC
B. 42,2 ^oC
C. 68,7 ^oC
D. 80,5 ^oC
E. 100 ^oC
Debate:
A unidade de masa, gramos (g), non precisa ser convertida a quilogramos (kg) porque a calor específica do aluminio e a calor específica da auga exprésanse en cal/g C^o.
É coñecido :
m aluminio = 500 gramos
aluminio c = 0,22 cal/gC^o
T aluminio = 30 ^oC
m de auga = 200 gramos
auga c = 1 cal/gC^o
T auga = 90 ^oC
Preguntado/a :
Temperatura final (T) da auga e do aluminio?
Jawab :

Fórmula de calor Q = (m)(c)(delta T)

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

Fórmula básica de Black : Q _apagado =Q _absorber

A auga ten unha temperatura inicial máis alta (90 ^oC) para que a auga libere calor, o aluminio ten unha temperatura inicial máis baixa (30 ^oC) para que o aluminio absorba calor. A temperatura final da mestura de auga e aluminio debe ser inferior á temperatura inicial da auga e superior á temperatura inicial do 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
A temperatura final da combinación de auga e aluminio é de 68,7 ^oC.
A resposta correcta é C.

5. Unha peza de metal cunha masa de 300 gramos a unha temperatura de 80 ^oC mergullado en 200 gramos de auga a 40 ^oC. Calor específico da auga = 1 cal/g C^oSe a temperatura final da mestura de metal e auga é de 50^o C e o recipiente non absorbe calor, entón a calor específica do metal é…
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
Debate:
É coñecido :
m metal = 300 gramos
T metal = 80 ^oC
m de auga = 200 gramos
T auga = 40 ^oC
auga = 1 cal/g C^o
T mestura final de metal e auga = 50 ^oC
Preguntado/a :
metal?
Jawab :
Q metal = (m)(c)(delta T) = (300 gramos)(c metal)(80^oC - 50^oC) = (300 gramos)(c metal)(30 C^o)
Q auga = (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)

Fórmula básica de Black : Q _apagado =Q _absorber

O metal ten unha temperatura inicial máis alta (80 ^oC) para que o metal libere calor, a auga teña unha temperatura inicial máis baixa (40 ^oc) para que a auga absorba calor.
(300 gramos)(metal de carbono)(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
A calor específica dun metal é de 0,22 cal/g °C^o.
A resposta correcta é B.

6. Dúas bólas idénticas teñen a mesma temperatura de 40 ^oC, as dúas bólas teñen masas de 10 gramos e 40 gramos respectivamente. Ambas as bólas colócanse nun fluído, de xeito que a temperatura de ambas as bólas sube a 60^oC. Se a calor específica da bóla é de 2 cal/g C^o e 1 caloría = 4,2 Joules, entón a diferenza de calor absorbida por cada bóla é...
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
Debate:
É coñecido :
m₁ = 10 gramos
m₂ = 40 gramos
T₁ =T₂ = 40 ^oC
T _fin = 60 ^oC
bola de c = 2 cal/g C^o
Preguntado/a :
Cal é a diferenza na calor absorbida por cada bóla?
Jawab :
A temperatura de ambas as bólas aumenta porque ambas as bólas deben absorber calor.
Q₁ = (10 g)(2 cal/g C^o)(60^oC–40^oC) = (10 g)(2 cal/g C^o)(20 °C^o) = 400 cal = (400)(4,2 J) = 1680 Xulios
Q₂ = (40 g)(2 cal/g C^o)(60^oC–40^oC) = (40 g)(2 cal/g C^o)(20 °C^o) = 1600 cal = (1600)(4,2 J) = 6720 Xulios
A diferenza de calor absorbida por cada bóla:
6720 J – 1680 J = 5040 J = 5,04 x 10³ J
A resposta correcta é A.

7. Auga cunha masa de 200 gramos a unha temperatura de 30 °C mestúrase con auga fervendo cunha masa de 100 gramos e unha temperatura de 90 °C. (Calor específico da auga = 1 cal.gramo^-1K^-1). A temperatura da auga mesturada no momento do equilibrio térmico é….

A. 10 °C

30 °C

C. 50 °C

D. 75 °C

E. 150 °C

Discusión

É coñecido :

Masa de auga 1 (m₁) = 200 gramos

Temperatura da auga 1 (T₁) = 30^oC

Masa de auga 2 (m₂) = 100 gramos

Temperatura da auga 2 (T₂) = 90^oC

Calor específico da auga (c) = 1 cal.gramo^-1K^-1

Preguntado/a : temperatura final da mestura

Jawab :

Calor liberada pola auga a alta temperatura (Q liberada) = calor absorbida pola auga a baixa temperatura (Q absorbida)

A resposta correcta é C.

8. Aata 60 gramos a unha temperatura de 90^oC (calor específico da auga = 1 cal.g^-1.^oC^-1) mesturado con 40 gramos de auga similar a unha temperatura de 25^oC. Se ningún outro factor afecta este proceso, entón a temperatura final da mestura é…

A. 15,4 ^oC

B. 23,0 ^oC

C. 46,0 ^oC

D. 64,0 ^oC

E. 77,0 ^oC

Discusión

É coñecido :

Masa de auga 1 (m₁) = 60 gramos

Temperatura da auga 1 (T₁) = 90^oC

Masa de auga 2 (m₂) = 40 gramos

Temperatura da auga 2 (T₂) = 25^oC

Calor específico da auga (c) = 1 cal.g^-1.^oC^-1

Preguntado/a : temperatura final da mestura

Jawab :

Calor liberada pola auga a alta temperatura (Q liberada) = calor absorbida pola auga a baixa temperatura (Q absorbida)

A resposta correcta é D.

9. Xeo cunha masa de M gramos a unha temperatura de 0^oC, colocado en auga que pesa 340 gramos a unha temperatura de 20^oC colocado nun recipiente especial. Suponse que o recipiente non absorbe/libera calor. Se L_es = 80 cal/g^-1, C_aire = 1 cal/g^{-1 o}C^-1, todo o xeo fúndese e o equilibrio térmico alcánzase a unha temperatura de 5^oC, entón a masa de xeo (M) é…

A. 60 gramos

B. 68 gramos

C. 75 gramos

D. 80 gramos

E. 170 gramos

Discusión

É coñecido :

Masa da auga (m) = 340 gramos

Temperatura do xeo (T_es) = 0^oC

Temperatura da auga (T_aire) = 20^oC

Temperatura de equilibrio térmico (T) = 5^oC

Calor de fusión do xeo (L_es) = 80 cal/g^-1

Calor específico da auga (c_aire) = 1 cal/g^{-1 o}C^-1

Preguntado/a Masa do xeo (M)

Jawab :

Principio Negro afirma que nun sistema pechado illado, a calor liberada por un obxecto a alta temperatura é a mesma que a calor absorbida por un obxecto a baixa temperatura.

Calor liberada pola auga (Q liberada) = calor absorbida polo xeo (Q absorbida)

A resposta correcta é A.

Catálogo:

Se se afirma que o xeo ten unha temperatura de 0^o entón a auga aínda está en forma sólida. Se se afirma que a temperatura da auga é 0^oC entón a auga está en forma líquida. Diferencia o uso das palabras xeo e auga. Dado que a auga aínda está en forma sólida ou de xeo, a calor absorbida primeiro úsase para derreter todo o xeo en auga, polo tanto, no lado dereito da ecuación anterior, engádese unha fórmula para calcular a cantidade de calor para derreter o xeo (m_es L_es). Despois de que todo o xeo se derreteu e se converteu en auga, úsase calor adicional para elevar a temperatura do xeo desde 0^oC convértese en 5^oC.

10. Cobre metálico a unha temperatura de 100^oC colócase en auga cunha masa de 128 gramos e unha temperatura de 30 ^oC. Calor específico da auga 1 cal.g^-1°C^-1 e a calor específica do cobre é de 0,1 cal·g^-1°C^-1Se o equilibrio térmico se produce a unha temperatura de 36 ^oC, entón a masa do metal é…

A. 140 gramos

B. 120 gramos

C. 100 gramos

D. 80 gramos

E. 75 gramos

Discusión

Sábese que:

Temperatura do cobre (T₁) = 100 ^oC

Calor específico do cobre (c₁) = 0,1 cal.g^-1°C^-1

Masa de auga (m₂) = 128 gramos

Temperatura da auga (T₂) = 30 ^oC

Calor específico da auga (c₂) = 1 cal.g^-1°C^-1

Temperatura de equilibrio térmico (T) = 36 ^oC

Preguntou: Masa de cobre (m₁)

Resposta:

O principio de Black afirma que a calor liberada por un obxecto a alta temperatura é igual á calor recibida por un obxecto a baixa temperatura.

A resposta correcta é B.

11. Tres quilogramos de variña de chumbo negro cun calor específico de 1400 J.kg^-1C^-1 temperatura 80^oC está mergullado en 10 kg de auga cun calor específico de 4200 J.kg^-1C^-1Despois de que se produza o equilibrio térmico, a temperatura final da mestura é de 20^oC. A temperatura inicial da auga é….

A. 20 ^oC

B. 18 ^oC

C. 14 ^oC

D. 12 ^oC

E. 10 ^oC

Discusión

Sábese que:

Masa de chumbo (m₁) = 3 kg

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

Temperatura do estaño (T₁) = 80 ^oC

Masa de auga (m₂) = 10 kg

Calor específico da auga (c₂) = 4200 J.kg^-1C^-1

Temperatura de equilibrio térmico (T) = 20 ^oC

Preguntou: Temperatura inicial da auga (T₂)

Resposta:

A resposta correcta é C.

12. Unha moeda de 50 gramos quéntase a unha temperatura de 85^oC, logo mergullouse nun recipiente que contiña 50 gramos de auga a unha temperatura de 29,8^oC (calor específico da auga = 1 cal.g^-1.^oC^-1). Se a temperatura final do sistema é de 37^oC e supondo que non hai transferencia de calor a través do recipiente, entón a calor específica do metal é…

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

Sábese que:

Masa da moeda (m) = 50 gramos

Temperatura inicial da moeda (T₁) = 85^oC

Masa da auga (m) = 50 gramos

Temperatura inicial da auga (T₂) = 29,8^oC

Calor específico da auga = 1 cal.g^-1.^oC^-1

Temperatura final do sistema (T) = 37^oC

Preguntou: Calor específico do metal (c)

Resposta:

O principio de Black afirma que a calor liberada é igual á calor absorbida. A moeda libera calor e a auga absórbe calor ata que se alcanza o equilibrio térmico.

Todas as unidades exprésanse en gramos, polo que non hai necesidade de converter unidades.

Q _apagado =Q _absorber

m_logam 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. Cobre metálico a unha temperatura de 100^oC colócase en auga cunha masa de 128 gramos e unha temperatura de 30 ^oC. Calor específico da auga 1 cal.g^{-1 o}C^-1 e a calor específica do cobre é de 0,1 cal·g^{-1 o}C^-1Se o equilibrio térmico se produce a unha temperatura de 36 ^oC, entón a masa do metal é…

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

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

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

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

O principio de Black afirma que a calor liberada por un obxecto a alta temperatura é igual á calor recibida por un obxecto a baixa temperatura.
Q cobre = Q auga
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
A masa do cobre é de 120 gramos.
A resposta correcta é B.

14. Tres quilogramos de vara de chumbo negro cun calor específico de 1400 J.kg^-1 C^-1 temperatura 80^oC está mergullado en 10 kg de auga cun calor específico de 4200 J.kg^-1 C^-1Despois de que se produza o equilibrio térmico, a temperatura final da mestura é de 20^oC. A temperatura inicial da auga é….

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

Discusión
Sábese que:
Masa de chumbo (m₁) = 3 kg
Calor específico do estaño (c₁) = 1400 J.kg^-1 C^-1
Temperatura do estaño (T₁) = 80 ^oC

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

Temperatura de equilibrio térmico (T) = 20 ^oC
Buscada: Temperatura inicial da auga (T₂)
Resposta:
Q liberada = Q recibida
Q estaño = Q auga
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
A temperatura inicial da auga é de 14^oC.
A resposta correcta é C.

15. Xeo cunha masa de M gramos a unha temperatura de 0^oC, colocado en auga que pesa 340 gramos a unha temperatura de 20^oC colocado nun recipiente especial. Suponse que o recipiente non absorbe/libera calor. Se L_es = 80 cal/g^-1, C_aire = 1 cal/g^{-1 o}C^-1, todo o xeo derreteuse e equilibrio térmico alcanzado a unha temperatura de 5^oC, entón a masa de xeo (M) é…

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

Discusión
É coñecido :
Masa da auga (m) = 340 gramos
Temperatura do xeo (T_es) = 0^oC
Suhu auga (T_aire) = 20^oC
Temperatura de equilibrio térmico (T) = 5^oC
Calor de fusión do xeo (L_es) = 80 cal/g^-1
Calor específico da auga (c_aire) = 1 cal/g^{-1 o}C^-1
Preguntado/a Masa do xeo (M)
Jawab :

Principio Negro afirma que nun sistema pechado illado, a calor liberada por un obxecto a alta temperatura é a mesma que a calor absorbida por un obxecto a baixa temperatura.
Calor liberada pola auga (Q liberada) = calor absorbida polo xeo (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) = 80 millóns + 5 millóns
5100 = 85 millóns
M = 5100/85
M = 60 gramos
A resposta correcta é A.

Catálogo:
Se se afirma que o xeo ten unha temperatura de 0^o entón a auga aínda está en forma sólida. Se se afirma que a temperatura da auga é 0^oC entón a auga está en forma líquida. Diferencia o uso das palabras xeo e auga. Dado que a auga aínda está en forma sólida ou de xeo, a calor absorbida primeiro úsase para derreter todo o xeo en auga, polo tanto, no lado dereito da ecuación anterior, engádese unha fórmula para calcular a cantidade de calor para derreter o xeo (m_es L_es). Despois de que todo o xeo se derreteu e se converteu en auga, úsase calor adicional para elevar a temperatura do xeo desde 0^oC convértese en 5^oC.

Orixe da pregunta:

Preguntas de física do exame nacional para o bacharelato/instituto profesional