Soluci olu ción ón Act ivid iv ida ades Tema Tema 9 Energ Energía ía.. Calor Calor y ond o ndas as
Transfe ransf erencias renci as
de
Ac A c t i v i d ades ad es d e la l a Uni Un i d ad 2. Expresa esto esto s v alores de temperatura en la escala que se indi ca: a) La temperatu ra del espaci o exteri or (3 K) en °C y °F. T = –270,16 °C = –454,3 °F. b) La temperatu ra cor por al nor mal (36,5 (36,5 °C) °C) en en °F y en en K. K. T = 97,7 °F = 309,66 K. c) La temp eratur a de verano en l a Antárti Ant ártida da (–22 (–22 °F) °F) en en °C y K. T = –30 °C = 243,16 K. 3. Indica si los siguientes enunciados enunciados s on verdaderos verdaderos o falsos, justif icando tus respuestas: respuestas: a) La energía energía interna es un a magnitud referida a cada partícul partícul a que for ma el sistema. Falso , la energía interna es una magnitud referida a la energía mecánica del Falso, conjunto de partículas que componen el sistema. b) La temperatura es mayor a medida que aumenta la distancia entre las partículas. Falso , la temperatura depende de la velocidad de las partículas, es decir, es Falso, mayor a medida que aumenta la energía cinética de las partículas del sistema. c) La temperatura depende de la energía cinética de las partículas del sistema. Verdadero , es una magnitud directamente proporcional a la energía cinética de Verdadero, las partículas. d) No es es c orr ecto h ablar de temperatur temperatur a de una partícula. Verdadero , pues la temperatura es una magnitud que representa el promedio de Verdadero, la velocidad media de todas las partículas del sistema, no de una sola.
e) Si un gas está a mayor temperatura que otr o, la energía cinética prom edio de sus partículas es también mayor. Verdadero, ya que la temperatura y la velocidad promedio de las partículas son directamente proporcionales. 6. Coloc amos so bre un a placa vitr ocerámica una cacerola co n agua a 15 °C. Al cabo de 5 mi nutos, el agua se ha calen tado hasta alcanzar una temperatura de 95 °C. Expl ica las t ransferencias energéticas q ue han tenido lugar . El agua contenida en la cacerola ha aumentado su temperatura. El foco calorífico de la placa cede una cierta cantidad de calor a la olla, que a su vez cede una parte al agua, la cual, al calentarse, incrementa el movimiento de sus partículas y aumenta su temperatura. Una parte del calor es cedido simultáneamente al aire y también se invierte otra parte en la formación del vapor de agua que va produciéndose. 7. Indica qué formas de propagación del calor se dan en los siguientes casos: a) Un p asamanos metálico s e calienta al s ol. Radiación y conducción. Los rayos del sol calientan el pasamanos, y éste, que es metálico, conduce el calor. b) Un aparato c alefactor de aire calienta una habitación. Convección. El aire calentado en la resistencia se hace circular por la habitación, gracias al ventilador que incorpora el calefactor. c) Un radiador calienta una habitación. Convección. Por diferencia de densidades, el aire calentado en el radiador se eleva hacia el techo, y el aire frío desciende hacia el suelo, produciéndose el movimiento del mismo. d) Calentamos u n vaso d e leche en el mic roo ndas. Radiación. Las microondas producidas por el aparato son absorbidas por la leche y la calientan. e) Un font anero s uelda una tubería de cobr e con un sopl ete. Conducción. El calor suministrado al extremo de la barra se transmite gracias a la interacción entre las partículas al resto de la pieza.
10. Eva y Julián están reproduciendo en el laboratorio el experimento de Joule. Utilizan dos pesas de 250 g, que descienden una altura de 50 cm. Tras medir la temperatura del agua antes y después de la caída, calculan que ha absor bid o 0,42 cal. a) Calcu la la energía potencial perdid a por l as pesas en s u descenso . La energía potencial de cada una de las pesas antes de descender los 50 cm (0,5 m) es: Ep = m·g·h = 0,25 kg · 9,8 m/s2 · 0,5 m = 1,2 J Como tenemos dos pesas, la energía potencial cedida ha sido de 2,4 J. b) Halla la equivalencia entre julios y calorías a partir de estos datos. ¿Qué conclus iones podemos sacar? Según los datos experimentales obtenidos, el equivalente mecánico del calor sería: 2,4 J / 0,42 cal = 5,71 J/cal, superior al valor real (4,18 J/cal). Podemos concluir que una parte de la energía ha sido cedida al agua, que ha aumentado en consecuencia su energía interna y su temperatura, y la otra se ha disipado por el rozamiento de las poleas. 11. Calcula el calor necesario para elevar 100 °C la temperatura de 300 g de hierro. Toma el dato d el calor específico necesario de la tabla del margen de esta página. Conocido el calor específico del hierro (ce = 0,11 cal/g °C), el calor necesario para elevar su temperatura 100 °C será: Q m ce T 300 g 0,11
cal 100 oC o g C
3.300 cal 13.794 J
12. Halla la temperatura final de una mezcla de 2 L de agua a 30 °C con 1 L de agua a 56 °C, siguiendo los pasos del ejemplo. Considera que 1 L de agua tiene un a masa de 1 kg. El calor cedido por el agua a mayor temperatura será: Qcedido m ce T 1000 g 1
cal 56 oC Teq o g C
Mientras que el calor ganado por los 2 L de agua a 30 °C será: Qganado m ce T 2000 g 1
cal Teq 30 oC o g C
Igualando ambas expresiones, tendremos: 1000 g 1
cal 56 oC Teq 0 g C
2000 g 1
cal Teq 30 oC 0 g C
56.000 1000 Teq 2000 Teq 60.000 Teq 38,7 oC 14. El punto de ebullición del nitrógeno (N2) es de 77 K y su calor latente de vapor ización es de 25,75 J/kg . a) ¿En qu é estado se encu entra el ni tr ógeno a –20 °C? Teniendo en cuenta que el punto de ebullición del nitrógeno (N2) es 77 K = –196,16 °C, esta sustancia se encontrará en estado gaseoso, pues su temperatura (–20 °C), es superior a la del punto de ebullición. b) ¿Qué calor debemos suministrar a 5 moles de nitrógeno líquido para su vaporización? (Nota: calcu la primero l a masa de 5 moles de nit róg eno). La masa molar del nitrógeno molecular (N2) es 28 g/mol, por lo que 5 moles de este gas corresponden a 140 g del mismo. Considerando, pues, este dato, y el calor latente de vaporización, deberemos suministrar: Q m Lv 0,14 kg 25,75 J kg 3,6 J 15. En un recipiente que contiene 1,5 L de agua a 25 °C introducimos una barra de hierro inc andescente de 900 g a una temperatu ra de 1 600 °C. a) ¿Será suficiente para llevar al agua hasta la temperatura de ebullición (100 °C)? Para que 1,5 L de agua que se encuentran a 25 °C eleven su temperatura hasta 100 °C, que es su punto de ebullición, se requiere una cantidad de calor equivalente a:
Qganado m ce T 1500 g 1
cal o o 100 C 25 C 112.500 cal o g C
La barra de hierro incandescente, de 900 g de masa y 1 600 °C de temperatura cederá calor al agua. Si suponemos que la temperatura final es de 100 °C: Qcedido m ce T 900 g 0,11
cal 1600 oC 100 oC 148.500 cal o g C
El calor que cede la barra de hierro es mayor que el necesario para que el agua alcance su temperatura de ebullición, por lo que es suficiente para elevar la temperatura del agua hasta los 100 °C. b) Si el calor latente de vaporización del agua es de 2.257 kJ/kg, ¿qué cantidad de agua se vaporizará? Del calor cedido por la barra (148.500 cal), una cantidad equivalente a 112.500 cal se invierte en elevar la temperatura del agua hasta los 100 °C. El resto (148.500 cal – 112.500 cal = 36.000 cal) es absorbido por el agua durante el proceso de vaporización. En consecuencia, podemos calcular la cantidad de agua que se vaporizará teniendo en cuenta este dato, y que el calor latente de vaporización del agua es 2.257 kJ/kg = 540 kcal/kg: Q m Lv m
Q 36.000 cal 0,07 kg 70 g Lv 540.000 cal / kg
Se vaporizarán 70 g de agua, que, considerando su densidad igual a 1 g/cm3, corresponden a 70 mL de agua. 16. Una locomotora de vapor desarrolla una potencia de 3.300 CV y consume una energía calorífica —procedente de la combustión de carbón— de, aproximadamente, 32.000 kJ por cada CV y por hora. ¿Cuál es el rendimi ento de la máquina? (Dato: recuerda que 1 CV = 735,5 W.) Para calcular el rendimiento de la máquina, debemos conocer la cantidad de calor cedido por la fuente caliente Q1 (en este caso la combustión del carbón), y el trabajo realizado por la máquina (expresado en este caso en función de su potencia, como se vio en la unidad 8). Si la locomotora tiene una potencia de 3.300 CV, y durante su funcionamiento a lo largo de una hora, la combustión del carbón cede 32.000 kJ por cada CV, la cantidad total de calor cedido por la fuente caliente en este intervalo de tiempo será: Q1 32.000 kJ CV 3.300 CV 1,06 108 kJ
Por otra parte el trabajo realizado por la locomotora durante esa hora de funcionamiento será, teniendo en cuenta que 1 CV = 735,5 J: P
W W P t 3.300 CV 735,5 J CV 3.600 s t 8,74 109 J 8,74 106 kJ
Por tanto, el rendimiento de la locomotora será: W 8, 74 106 kJ 100 100 8,2 % Rendimiento Q1 1,06 108 kJ 17. Un motor de coche tiene un rendimiento del 51 %. Indica si este enunciado es cierto o no, justific ando tu r espuesta: «Por c ada caloría generada por la com bust ión de la gasoli na en este mot or, se obtienen, aproximadamente, 2 J de trabajo. El resto del calor se elimina con l os gases que escapan del mot or». La afirmación es correcta. Si la analizamos con detalle, nos indica que, por cada caloría generada por la combustión de la gasolina, que son 4,18 J, aproximadamente la mitad, es decir, unos 2 J, se invierten en la realización de trabajo. Si la mitad del calor suministrado por la fuente caliente se invierte en trabajo, el rendimiento de la máquina es del 50 % aproximadamente, como corresponde al enunciado. 19. Respond e brevemente a las sig uientes cu estiones: a) ¿Puede pro pagarse el s onid o en el v acío? ¿Por qué? No, el sonido es una onda mecánica, por lo que necesita un medio material para poder propagarse. b) ¿La velocidad del son ido es si empre la mism a? No, pues al ser una onda material, su velocidad de propagación depende del medio. De hecho, el sonido se propaga a mayor velocidad en el agua que en aire, por ejemplo. c) ¿Con qué magni tud o ndul atoria está relacion ado el ton o de un sonid o? El tono está relacionado con la frecuencia de la onda, de modo que los tonos agudos se corresponden con ondas sonoras de alta frecuencia, y los graves, con ondas de baja frecuencia.
d) ¿En qué cons ist e el eco? El eco es el fenómeno mediante el cual, al emitir un sonido frente a una superficie, lo escuchamos dos veces, una al emitirlo, y otra al cabo de un instante, consecuencia de la reflexión de la onda al «rebotar» contra la superficie. e) ¿Cómo se explica la voz hu mana desde el pun to d e vist a de la Física? El ser humano dispone de un órgano, las cuerdas vocales, que al vibrar producen ondas sonoras de distinta frecuencia e intensidad. Estas ondas se transmiten a través del aire. 21. ¿Cómo podemos explicar, de acuerdo con el modelo ondulatorio de la luz, la existencia de objetos de color bl anco y de color negro? La luz blanca está compuesta por ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias y longitudes de onda. Cuando un cuerpo refleja una parte de estas ondas que componen la luz blanca, pero absorbe otra parte, se observan los diferentes colores, de modo que si un cuerpo absorbe todas menos las correspondientes al color rojo, que es reflejado, este es el color que observamos. Pero si el cuerpo refleja todas las ondas que componen la luz blanca, entonces se ve blanco, mientras que si las absorbe todas y no refleja ninguna, el objeto se ve de color negro. 22. Basándot e en el espectro electr omagnético y sabiendo que la energía de una onda es directamente proporcional a su frecuencia, indica qué radiación es más energética: a) Microon das u on das de radio. b) Rayos ultravioleta o rayos infrarrojos. c) Luz verde o luz amarilla. Las ondas electromagnéticas son más energéticas a medida que es mayor su frecuencia, es decir, a medida que disminuye su longitud de onda. De acuerdo con esto, tenemos: a) Microondas. b) Rayos ultravioleta. c) Luz verde. 24. Una ond a electromagnéti ca tiene un a frecuencia de 4 · 1012 Hz. a) Calcula su longitud de onda exacta, teniendo en cuenta que cualquier onda electrom agnética se prop aga en el vacío a la velocidad de la luz.
La frecuencia es del orden de 4.000 GHz, por lo que estamos ante una onda más energética, por ejemplo, que las ondas de radio. Calculamos la longitud de onda: v f
v 3 108 m s 5 7,5 10 m 12 1 f 4 10 s 7,5 105 m
b) ¿Qué tipo de onda es? Nos encontramos ante una onda de longitud de onda mayor de 1 µm pero inferior a 1 mm, es decir, en la zona del infrarrojo.
ACTIVIDADES FINALES 3. Para medir la temperatura se utilizan diferentes dispositivos, siendo el más utili zado el termómetro d e mercur io. a) ¿En qué se basa el funci onamiento d e un termómetro d e mercu rio? El termómetro de mercurio es un dispositivo de medida de la temperatura que se basa en la dilatación que experimenta el metal contenido en su interior al calentarse. Calibrando el termómetro adecuadamente, se establece una relación entre el cambio de temperatura y la dilatación del mercurio contenido en un fino tubo, plasmada en la escala de medida del termómetro. b) ¿Qué es un t ermopar? Investígalo en alguna encic lopedia o en Internet. Los termopares son unos dispositivos electrónicos muy utilizados como sensores de temperatura. Básicamente están compuestos por un circuito en el que se incluyen dos metales diferentes. En función de la diferencia de temperatura existente entre los extremos del circuito, el termopar produce un cierto voltaje. c) Los termómetros de alcohol, habituales en los laboratorios de ciencias, ¿podrán medir la temperatura de ebullición del agua? Recuerda que el punt o de ebulli ción del alcohol etílico es de, apro ximadamente, 78 °C. La escala de un termómetro de alcohol no puede alcanzar los 100 °C, que es la temperatura de ebullición del agua, pues incluso a una temperatura inferior (78 °C) el alcohol contenido en el termómetro entraría en ebullición. Este tipo de termómetros se utilizan en el laboratorio para medir temperaturas no muy altas, entre 0 y 60 °C, por ejemplo.
4. El punto de fusión del oxígeno (O2) es 50,4 K y su punto de ebullición, 90,2 K. a) ¿A qu é temperatur as cor respon den, expr esadas en la escala Celsius? En la escala Celsius, el punto de fusión del oxígeno molecular (O2) es –222,76 °C (50,4 K), mientras que su punto de ebullición es –182,96 °C (90,2 K). b) ¿Hasta qué temperatura se ha de enfriar un recipiente que contenga O2 para que pase a estado líquid o? El recipiente ha de enfriarse, como mínimo, hasta la temperatura de su punto de ebullición, es decir hasta –182,96 °C. c) ¿Puede el g as oxígeno p asar a estado s ólid o? Explícalo. Sí, el gas oxígeno pasará a estado sólido siempre que se enfríe hasta –222,75 °C, que es su punto de fusión. 8. Define el julio y la caloría. Si un producto alimenticio tiene un valor energético de 89 kJ por cada 100 g, ¿qué cantidad de este alimento debe ingerir u na perso na que no qu iera exceder 53 kcal al consum irlo ? El julio es la unidad de energía del Sistema Internacional, y se puede definir como el trabajo necesario para desplazar un cuerpo una distancia de 1 m, aplicando sobre él una fuerza neta de 1 N, mientras que la caloría es también una unidad de energía, utilizada para expresar el calor intercambiado entre dos sistemas, que se define como el calor necesario para elevar 1 °C la temperatura de 1 g de agua. Para realizar el cálculo, comenzaremos expresando el valor energético de 100 g del producto en kilocalorías: Valor energético 89 kJ
1 kcal 21,3 kcal 4,18 kJ
Si no queremos exceder de las 53 kcal, deberemos tomar, como máximo (53 kcal / 21,3 kcal) · 100 g = 249 g de este producto alimenticio. 11. El calor es energía. ¿Es el frío también una forma de energía? Cuando en invierno decimos que hace frío, ¿qué explicación física podemos dar a este hecho ? ¿Por qu é nos abri gamos? No. La forma de energía que se transfiere es el calor. Decimos que un sistema se enfría cuando disminuye su energía interna, porque cede calor a otro sistema. Para evitar la disminución de energía del sistema cediendo calor se procura su aislamiento, como ocurre en invierno cuando nos colocamos prendas de abrigo, con la finalidad de no ceder calor al medio que nos rodea.
13. Indica si l os s iguientes enunciados so n verdaderos o falsos, just ificando en cada caso tu respuesta: a) La conducció n y la convección s on f ormas de transferencia de calor que no t ienen lugar en el vacío. Verdadero, pues la conducción requiere una interacción entre las partículas del sistema, y la convección un transporte de materia. b) La radiación es electromagnéticas.
una
transferencia
de
energía
mediante
ondas
Verdadero, y puede existir la propagación en ausencia de materia. c) En un sólido no puede tener lugar la propagación del calor por convección. Verdadero, pues la convección requiere un movimiento de una parte de la masa del sistema de un lugar a otro, lo cual no puede tener lugar en un sólido, en que las posiciones de las partículas son fijas. d) Los metales no son b uenos conduc tores del calor. Falso, son muy buenos conductores del calor debido a los electrones libres que poseen. 16. ¿En qué consistía la teoría del «calórico», que prevaleció hasta bien entrado el siglo XIX? ¿Es una hipótesis coherente con el hecho de que el calor se pro pague en el vacío por radiación? La hipótesis del calórico suponía que el calor era una sustancia que fluía de unos cuerpos a otros. Evidencias posteriores pusieron de manifiesto que esto no podía ser así, como el hecho de que el calor pueda transmitirse en el vacío (a través de las ondas electromagnéticas), sin que exista transporte de materia. 18. Un adulto debe consumir 2.500 kcal en su dieta diaria. ¿A cuántos kJ equivale esta cantid ad de energía? Si una perso na de 70 kg qu iere consu mir el 5 % de esta energía montando en bicicleta, ¿cuánto tiempo deberá ejerci tarse en esta activi dad, si por cada 10 minut os d e paseo y kg de masa cor por al consume 1,5 kcal? 2.500 kcal equivalen a una cantidad de energía de 10.450 kJ. El 5 % de esta cantidad son 522,5 kJ. Si una persona desea consumir esos 522,5 kJ montando en bicicleta, sabiendo que por cada minuto de paseo y kg de masa corporal consumirá 0,15 kcal = 0,627 kJ, deberá ejercitarse durante un tiempo:
t
522,5 kJ 11,9 min kJ 70 kg 0,627 kg min
19. Un motor de una grúa consume 3,5 ·105 J de energía para subir una carga de 700 kg desde el suelo hasta una altura de 20 m. ¿Qué porcentaje de energía se ha transferido al medio en forma de calor, debido a las pérdidas por fricció n o rozamiento del motor? Indica su valor, expresado en calorías. La energía potencial ganada por la carga al ser elevada hasta la citada altura será: Ep = m · g · h = 700 kg · 9,8 m/s2 · 20 m = 137.200 J Esta energía la suministra el motor, que en total ha consumido 3,5 · 105 J. Por tanto, la energía disipada habrá sido: 350.000J – 137.200 J = 212.800 J Por tanto, el porcentaje de energía disipada será: 212.800 J
100 60,8 % 350.000 J
23. Un banco de granito, que se encuentra en el parque a la intemperie, ha aumentado su temperatura desde 18 °C hasta 45 °C por la acción de los rayos del sol. Sabiendo que el calor específico del granito es 0,192 kcal/kg °C, y que el banco tiene una masa de 490 kg, calcula la cantidad de calor absorb ida en el proceso. La cantidad de calor absorbida por el banco será: Qabsorbido m ce T 490 kg 0,192
kcal 45 oC 18 oC o kg C
2.540,2 cal 10.618 kJ
24. En casa de María del Mar hay un calentador eléctrico de 100 L de capacidad, que se llena inicialmente con agua a 16 °C para calentarla hasta que su temperatura final sea 65 °C. Sabiendo que el calor específico del agua es 1 cal/g °C y que su densidad es de 1 000 kg/m3, calcula: a) La cantidad de calor necesario para calentar el agua contenida en el aparato.
Para calcular la cantidad de calor necesaria para calentar el agua, necesitamos conocer su masa. Como la densidad es 1 000 kg/m3, y el volumen de agua contenida en el calentador es 100 L = 0,1 m3, su masa es 100 kg. De acuerdo con esto: cal 65 oC 16 oC Q m ce T 100.000 g 1 o g C 4,9 106 cal 4900 kcal
b) El coste del proceso, suponiendo que el rendimiento de la resistencia es del 85 % y qu e el kWh d e energía eléctrica se paga a 9 céntim os d e euro. Si el rendimiento de la resistencia es solo del 85 %, la cantidad de energía eléctrica consumida habrá sido algo mayor, concretamente: 4.900 kcal · 100/85 = 5.765 kcal = 24.098 kJ Considerando que: 1 kWh = 1 000 W · 3.600 s = 3,6 · 106 J el número de kWh consumidos por la resistencia será: Econsumida 2,4098 107 J
1 kWh 6,7 kWh 3,6 106 J
Y el coste, a 9 céntimos de euro el kWh, habrá sido: 6,7 kWh · 9 cént./kWh = 60,3 cént. Es decir, aproximadamente 60 céntimos de euro. 25. El calor latente de fusión del plomo es de 23,2 kJ/kg. De acuerdo con este dato, ¿qué cantidad de calor debemos suministrar para fundir 30 g de plomo? ¿Cuánto plomo p odemos fundir aportando 2 kJ? Para fundir 30 g de plomo que se encuentran en el punto de fusión debemos aportar: Q = 23,2 kJ/kg · 0,03 kg = 0,696 kJ = 696 J Si lo que hacemos es suministrar 2 kJ a una pieza de plomo calentada hasta su punto de fusión, podemos fundir: m = 2 kJ / 23,2 kJ/kg = 0,086 kg = 86 g de este metal
26. Iván tiene un acuario de peces tropicales de 105 L de capacidad, que está a una temperatur a de 28,5 °C. En un a limpieza rutinaria, extr ae un t ercio del agua contenida y la reemplaza por agua limpia a 15 °C. ¿Cuál es la temperatura del acuario, una vez alcanzado el equilibrio térmico? ¿Qué calor debe sumin ist rarse para vol ver a alcanzar la temperatur a inicial? El acuario es de 105 L de capacidad, por lo que si extrae un tercio del agua, sacará 35 L que reemplaza por agua a 15 °C, y dejará 70 L de agua a 28,5 °C. Calculamos la temperatura de equilibrio de la mezcla: El calor cedido por los 70 L de agua a 28,5 °C es: Qcedido m ce T 70.000 g 1
cal o 28,5 C Teq o g C
Mientras que el calor ganado por los 35 L de agua a 15 °C será: Qabsorbido m ce T 35.000 g 1
cal o T 15 C eq o g C
Igualando ambas expresiones, tendremos: 70.000 g 1
cal cal o o 28,5 C T m c T 35.000 g 1 T 15 C eq e eq o o g C g C
1,995 106 70.000 Teq 35.000 Teq 5,25 105 Teq 24o C Para volver a alcanzar la temperatura inicial (28,5 °C), la resistencia deberá suministrar una cantidad de calor de: Q m ce T 105.000 g 1
cal 28,5 oC 24 oC o g C
472.500 cal 472,5 kcal
28. Una máquina térmica que funciona con un rendimiento del 60 % realiza un trabajo de 1,6 · 105 J. a) ¿Qué canti dad de calor se ha generado en el foc o c aliente de la máquina? La cantidad de calor generada en el foco caliente (Q1) habrá sido:
Rendimiento(%) =
W 100 Q1
W 100 1,6 105 J 100 2, 67 105 J Q1 Rendimiento(%) 60
b) ¿Cuánto calor se ha cedido en el foco f río? En el foco frío, el calor cedido será: Q2 = Q1 – W = 2,67 105 J – 1,6 105 J = 1,07 105 J c) Realiza un esquema del pr oceso, ind icando esto s datos sobr e él. Foco caliente | Máquina | →
Q1 = 2,67 · 105 J Q2 = 1,07 · 105 J W = 1,6 · 105 J
→
→
→
→
Foco frío
→
d) ¿Podemos afirmar que esta máquina está funcionando como un refrig erador? ¿Por qu é? No, porque para que funcione como un refrigerador hay que realizar un trabajo sobre la máquina, y además el calor debe pasar del foco frío al foco caliente. 29. Responde a estas cu estiones, relativas al mot or de comb ust ión: a) ¿Cuál de los c uatro t iempos s e relacio na con el aport e de calor? Se relaciona con el tercer tiempo, momento en el cual tiene lugar la explosión de la mezcla gaseosa. b) ¿Cuál ti ene que ver con la cesión de calor al foco frío? Con el cuarto tiempo, cuando tiene lugar la expulsión de los gases a través de la válvula de escape al exterior. La atmósfera, que es el destino de los gases, es el foco frío del sistema. c) ¿Qué parte del mo tor realiza trabajo? El pistón, que se mueve como consecuencia de la expansión de los gases tras la combustión. 32. Analiza los sig uientes enunci ados y señala los errores qu e hay en ellos : a) Una máquina térmica extrae trabajo de un foco caliente y cede calor al medio.
Una máquina térmica extrae calor de un foco caliente, no trabajo. b) Un refrigerador y una máquina térmica se diferencian en la temperatura del foco f río, mucho menor en el primero. Una máquina térmica y un refrigerador se diferencian en que una absorbe calor del foco caliente, y la otra lo hace del foco frío. c) Los focos deben estar dentro de la máquina térmica para que esta pueda funcionar. No es necesario que los focos estén dentro de la máquina para su funcionamiento, solo que existan. 33. ¿Puede ser el rendimiento de una máquina térmica del 100 %? Explica tu respuesta, teniendo en cuenta cómo funciona una máquina térmica y cómo se define el rendi miento. No, pues si el rendimiento fuese del 100 %, todo el calor absorbido en el foco caliente se transformaría en trabajo, y el sistema no cedería calor en el foco frío, para recuperar su estado inicial y comenzar un nuevo ciclo. 36. Indica si las siguientes afirmaciones son correctas o incorrectas, ju stif icando en cada caso tu respues ta: a) Cuanto mayor es la long itud de onda, mayor es la frecuencia. Incorrecta, pues son magnitudes inversamente proporcional, es decir, a medida que aumenta la longitud de onda disminuye la frecuencia, y viceversa. b) Cuanto mayor es la amplitud, mayor es la energía transportada por la onda. Correcta, pues la energía transmitida por la onda es directamente proporcional al cuadrado de la amplitud. c) Cuanto mayor es l a frecuencia, mayor es el período de la ond a. Incorrecta, pues la frecuencia es igual al inverso del período (f = 1/T), de modo que cuanto mayor es la frecuencia, menor será el período de la onda. d) Cuanto m ayor es el período, mayor es la velocidad de la onda. Incorrecta, pues la velocidad es inversamente proporcional al período.
37. Una onda que se desplaza a 3 · 108 m/s tiene una longitud de onda de 300 nm. Calcula, a partir de estos datos, todos los parámetros de la onda que te sea posi ble. Con estos datos, podremos realizar los siguientes cálculos: v
T f
300 109 m 15 T 10 s v 3 108 m s
1 1 15 1 15 10 s 10 Hz 15 T 10 s
42. Explica en qué consiste la luz y describe las dos teorías contrapuestas que han exist ido para justi fic ar su naturaleza y sus p rop iedades. La luz blanca consiste en una superposición de ondas electromagnéticas de distintas frecuencias. A lo largo de la historia, se han sucedido dos teorías sobre la naturaleza de la luz: la teoría corpuscular, que consideró la luz formada por un haz de diminutas partículas; y la teoría ondulatoria, que consideró la luz como una onda que se propaga en el vacío. Una serie de experimentos llevados a cabo en el siglo XIX decantaron finalmente la naturaleza de la luz hacia la teoría ondulatoria, la cual conseguía explicar de forma más simple los fenómenos observados. 43. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas, ju stif icando tus respues tas: a) La luz blanca también se denomi na luz monoc rom ática. Falsa, pues la luz blanca está compuesta por ondas electromagnéticas de distintas frecuencias, y la luz monocromática solo contiene ondas de la misma frecuencia. b) Si un obj eto se ve rojo, es por que refleja la luz roja. Verdadera, es porque absorbe todas las ondas que inciden sobre él menos las correspondientes al color rojo, que son reflejadas. c) La luz se prop aga en el vacío y t ambién en los medios materiales. Verdadera, aunque no requiere de un medio material para ello, la luz también se propaga en el aire, en el agua, etc. d) La velocidad de pro pagación de la luz depende de su fr ecuencia.
Falsa, la velocidad de propagación de la luz en el vacío es fija, e igual a 3 · 108 m/s. 44. En el espectro electromagnético, las ondas se clasifican según su longitud de onda o su frecuencia. a) ¿Cuáles son las ondas con mayor long itud de onda del espectro? Las ondas de mayor longitud de onda del espectro electromagnético son las ondas de radio. b) ¿Entre qué longi tud es de onda se encuentra la luz visibl e? La luz visible se encuentra comprendida entre los 380 nm (violeta) y los 720 nm (rojo). c) ¿Cuáles son las ondas más energéticas del espectro electromagnético? ¿Por qué? Las ondas más energéticas del espectro electromagnético son los rayos gamma, que son los que tienen menor longitud de onda y mayor frecuencia. 45. En nuestro entorno manejamos gran cantidad de aparatos que emiten ondas electromagnéticas y se sabe que sus posibles efectos perjudiciales para la salud son mayores cuanto más energéticas son. Clasifica las ondas electromagnéticas que emiten los siguientes dispositivos de acuerdo con su carácter energético: a) La luz de una linterna. Ondas correspondientes a la luz visible, poco energéticas (no ionizantes). b) La radiación proc edente de una explo sió n nuc lear. Ondas correspondientes a rayos gamma, muy energéticas (ionizantes). c) Un aparato de rayo s UVA. Ondas correspondientes a la luz ultr avioleta, bastante energéticas (ionizantes). d) El hor no mic roondas. Ondas correspondientes a las microondas, poco energéticas (no ionizantes). e) La radio de ond a media. Ondas de radio, muy poco energéticas (no ionizantes).
f) El mando a dist ancia del garaje. Ondas correspondientes al infrarrojo, poco energéticas (no ionizantes).
