TEMPERATURA - EXPANSION TERMICA – ECUACION DE ESTADO 1) El nitrógeno líquido tiene un punto de ebullición de -195,81 °C a la presión atmosférica. Exprese ésta temperatura: a) En grados Fahrenheit b) En Kelvin. 2) Convierta a temperaturas equivalentes en las escalas Celsius y Kelvin: a) La temperatura normal del cuerpo humano, 98,6 °F b) La temperatura del aire en un día frío, -5 °F. 3) Un termómetro de gas de volumen constante está calibrado en hielo seco (dióxido de carbono en estado sólido) que tiene una temperatura de -80°C y en alcohol etílico en ebullición (78°C). Las dos presiones son 0,900 atm y 1,635 atm a) ¿Qué valor Celsius de cero absoluto produce la calibración? ¿Cuál es la presión en?: b) El punto de congelación del agua c) El punto de ebullición del agua 4) A 20°C, un anillo de aluminio tiene un diámetro interior de 5,000 cm y una varilla de bronce tiene un diámetro de 5,050 cm a) Si se calienta sólo el anillo, ¿Qué temperatura debe alcanzar para que apenas se deslice sobre la varilla? b) ¿Qué pasaría si ambos se calientan juntos? ¿Qué temperatura deben alcanzar para que el anillo apenas se deslice sobre la varilla? ¿Funcionaría este último proceso? 5) Un cilindro hueco de aluminio de 20 cm de profundidad tiene una capacidad interna de 2 L a 20 °C. Se llena por completo con aguarrás y luego se calienta lentamente a 80 °C a) ¿Cuánto aguarrás se derrama? b) Si el cilindro se enfría otra vez a 20 °C ¿A qué distancia del borde del cilindro bajará la superficie del aguarrás? 6) Un vaso de vidrio ordinario contiene una esfera de plomo de 4 cm de diámetro firmemente unida a su fondo a una temperatura uniforme de -10 °C, el vaso se llena hasta el borde con 118 cm3 de mercurio, que cubre por completo la esfera. ¿Cuánto mercurio se derrama del vaso si la temperatura se eleva a 30 °C?
7) Los tornillos de acero y bronce de la figura están a diferentes potenciales eléctricos y si se tocan se produce un cortocircuito. Si la distancia entre los extremos de los tornillos es 5 µm a 27°C ¿A qué temperatura se tocarán los tornillos?
8) Un segmento de vía de acero para ferrocarril tiene una longitud de 30 m cuando la temperatura es 0 °C. a) ¿Cuál es la longitud cuando la temperatura sea 40 °C? b) Suponga que los extremos del riel están rígidamente sujetos a 0°C de modo que se impide su expansión. ¿Cuál es el esfuerzo térmico establecido en el riel si su temperatura se eleva a 40 °C? c) ¿Qué pasaría si la temperatura baja a – 40 °C? ¿Cuál es la longitud del segmento no sujeto? 9) Un alambre de acero y un alambre de cobre, cada uno de 2 mm de diámetro, se unen extremo con extremo. A 40 °C, cada uno tiene una longitud no estirada de 2 m, se conectan entre dos soportes fijos que están a 4 m de separación sobre una mesa, de modo que el alambre de acero se extiende de x = -2m a x = 0, el alambre de cobre se extiende de x = 0 a x = 2 m, y la tensión es insignificante. La temperatura baja luego a 20 °C. A ésta temperatura más baja, encuentre la tensión del alambre y la coordenada x de la unión entre los alambres.
10) Un reloj con péndulo de bronce tiene un período de 1 s a 20°C. Si la temperatura aumenta a 30 °C: a) ¿Cuánto cambia el período? b) ¿Cuánto se adelanta o se atrasa en una semana?
11) Un cilindro está cerrado por un émbolo conectado a un resorte de constante 2 x 103 N/m. Con el resorte relajado, el cilindro sé llena con 5 L de gas a una presión de 1 atm y una temperatura de 20 *C. Si el émbolo tiene un área de sección de 0,01 m2 y masa despreciable, a) ¿Cuánto subirá cuando la temperatura se eleva a 250°C? b) ¿Cuál es la presión del gas a 250°C?
12) Un cilindro vertical de área A está equipado con un émbolo de ajuste apretado, sin fricción, de masa m Si n moles de un gas ideal están en el cilindro a un temperatura T: a) ¿Cuál es la altura h a la que el émbolo está en equilibrio bajo su propio peso? b) ¿Cuál es el valor para h si n=.200 mol, T = 400 K, A = 0,008 rn2 y m = 20 kg?
13) Una campana de inmersión en forma de cilindro con altura de 2,5 m se cierra en el extremo superior y se abre en el extremo inferior. La campana es bajada desde aire al agua de mar (p = 1,025 g/cm3). El aire de la campana está inicialmente a 20°C. La campana es bajada a una profundidad (medida en el fondo de la campana) 82,3 m. A esta profundidad, la temperatura del agua es de 4°C y la campana está en equilibrio térmico con el agua. ¿A qué altura sube el agua de mar en la campana?
14) A 25 m bajo la superficie del mar (p = 1,025 Kg/m3) la temperatura es de 5 °C, un buzo exhala una burbuja de aire que tiene un volumen de 1 cm3. Si la temperatura de la superficie del mar es de 25°C, ¿Cuál es el volumen de la burbuja justo antes de romper en la superficie?
COEFICIENTES DE EXPANSION LINEAL MATERIAL Aluminio Latón Cobre Acero Plomo Vidrio común Vidrio Pirex Bronce
α [K-1 o °C-1] 2,4 x 10-5 1,9 x 10-5 1,7 x 10-5 1,1 x 10-5 2,9 x 10-5 0,9 x 10-5 0,32 x 10-5 1,9 x 10-5
COEFICIENTES DE EXPANSION VOLUMETRICOS SOLIDOS Aluminio Latón Cobre Vidrio común Acero Plomo LIQUIDOS Alcohol etílico Glicerina Mercurio Aguarrás Gasolina
β [K-1 o °C-1] 7,2 x 10-5 5,7 x 10-5 5,1 x 10-5 2,7 x 10-5 3,3 x 10-5 8,7 x 10-5 β [K-1 o °C-1] 11,2 x 10-5 48,5 x 10-5 18,2 x 10-5 90 x 10-5 96 x 10-5
