FÍSICA – Bachillerato General – 1 – Primero de Bachillerato – Pág 180 – Resuelto 0

Pregunta a) En la fase 1 existen 300 ml o gramos de hielo. Determino el calor existente para el cambio de temperatura de -25 °C a -10 °C.

Respuesta:
Paso 1: Regla usada: calor sensible. $$Q = m\,c\,\Delta T$$ donde para hielo tomamos c_{hielo}=2.10\;\mathrm{J/(g\,^{\circ}C)}.
Paso 2: Datos: m=300\;g, T_i=-25\;^{\circ}C, T_f=-10\;^{\circ}C. Entonces \Delta T = T_f-T_i = -10 – (-25) = 15\;^{\circ}C.
Paso 3: Sustituyo: $$Q = 300\;\cancel{g}\times 2.10\;\frac{\mathrm{J}}{\cancel{g}\,^{\circ}\mathrm{C}}\times 15\;^{\circ}\mathrm{C}$$
Paso 4: Calculo numérico: 2.10\times 15 = 31.5; 300\times 31.5 = 9450\;J.
Resultado final: \( \boxed{9450\;\mathrm{J}} \)

Pregunta b) Observo ¿qué sucede en la fase 2? e indico el cambio de temperatura, y ¿qué sucede con el líquido? Argumento mi respuesta.

Respuesta:
Paso 1: Regla/observación: En la fase de cambio de estado (fusión) la temperatura permanece constante mientras se suministra calor; el calor se usa en romper enlaces, no en aumentar temperatura.
Paso 2: Observación: La temperatura se mantiene constante (por ejemplo en 0\;^{\circ}C). El cambio de temperatura es \Delta T = 0\;^{\circ}C (no hay variación de T).
Paso 3: Qué sucede con el líquido: El hielo absorbe calor latente y se transforma progresivamente en líquido (fusión) hasta que toda la masa se convierta en agua líquida; durante este proceso la temperatura no cambia.
Resultado final: \( \boxed{\text{Temperatura constante (0\;^{\circ}C); ocurre fusión: sólido}\to\text{líquido}} } \)

Pregunta c) Si la masa total se transformó en líquido, señalo, ¿cuál es la ecuación para el calor de fusión y calculo este calor para los 300 gramos.

Respuesta:
Paso 1: Regla usada: calor de fusión (latente). $$Q_{fus} = m\,L_f$$ donde para agua L_f \approx 334\;\mathrm{J/g}.
Paso 2: Sustituyo: m=300\;g, L_f=334\;J/g. $$Q_{fus}=300\;\cancel{g}\times 334\;\frac{\mathrm{J}}{\cancel{g}}$$
Paso 3: Calculo numérico: 300\times 334 = 100200\;J.
Resultado final: \( \boxed{100200\;\mathrm{J}} \)

Pregunta d) Calculo el calor que existe en la fase 3, en la transición de temperatura de 5°C a 90 °C para los 300 gramos.

Respuesta:
Paso 1: Regla usada: calor sensible para el agua líquida. $$Q = m\,c_{agua}\,\Delta T$$ con c_{agua}=4.18\;\mathrm{J/(g\,^{\circ}C)}.
Paso 2: Datos: m=300\;g, T_i=5\;^{\circ}C, T_f=90\;^{\circ}C entonces \Delta T = 90-5 = 85\;^{\circ}C.
Paso 3: Sustituyo: $$Q = 300\;\cancel{g}\times 4.18\;\frac{\mathrm{J}}{\cancel{g}\,^{\circ}\mathrm{C}}\times 85\;^{\circ}\mathrm{C}$$
Paso 4: Calculo intermedio: 4.18\times 85 = 355.3. Luego 300\times 355.3 = 106590\;J.
Resultado final: \( \boxed{106590\;\mathrm{J}} \)

Pregunta e) Calculo la potencia del mechero si para elevar la temperatura de 5 °C a 90 °C se demora 10 segundos.

Respuesta:
Paso 1: Regla usada: potencia promedio P = Q/t.
Paso 2: Usamos Q de la pregunta d): Q = 106590\;J y t = 10\;s.
Paso 3: Sustituyo: $$P = \frac{106590\;\mathrm{J}}{10\;\mathrm{s}} = 10659\;\mathrm{W}.$$
Paso 4: Expresión en kilovatios: 10659\;W = 10.659\;kW (si se desea).
Resultado final: \( \boxed{10659\;\mathrm{W}} \)

Pregunta f) Describo la fase 4 e indico cuál es el cambio de estado.

Respuesta:
Paso 1: Observación general: La fase 4 corresponde a un tramo de temperatura constante donde ocurre el cambio de estado de líquido a gas (ebullición/vaporización).
Paso 2: Cambio de estado: líquido \to vapor (vaporización). Durante esta fase la temperatura permanece constante mientras se suministra el calor latente de vaporización.
Resultado final: \( \boxed{\text{Fase 4: vaporización; cambio de estado: líquido}\to\text{gas}} } \)

Pregunta g) Determino, ¿cuál es la ecuación del calor para la fase 4?

Respuesta:
Paso 1: Regla usada: calor latente de vaporización. $$Q_{vap} = m\,L_v$$ donde L_v es la entalpía de vaporización (para agua L_v \approx 2260\;\mathrm{J/g}).
Paso 2: Ecuación general: $$Q_{vap}=m\,L_v.$$
Paso 3: Si la masa completa de 300\;g se vaporiza: $$Q_{vap}=300\;\cancel{g}\times 2260\;\frac{\mathrm{J}}{\cancel{g}} = 678000\;\mathrm{J}.$$
Resultado final: \( \boxed{Q_{vap}=m\,L_v\quad\text{y si }m=300\;g:\;Q_{vap}=678000\;\mathrm{J}} \)