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Tópicos selectos de física
Unidad II. Termodinámica
Prof. Fernando Villalbazo

1

Temperatura

• Contacto térmico: Intercambio de energía debido a una diferencia de

temperatura.
• Equilibrio térmico: Objetos no intercambian energía si se ponen en

contacto térmico.
• Aislante: Material que no permite la interacción entre los dos sistemas.

2

Ley cero de la termodinámicaSi los sistemas A y B están cada uno en equilibrio térmico con un tercer
sistema C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí.
Dos sistemas están en equilibrio térmico si y sólo si sus temperaturas son
iguales.

3

Escalas de temperatura

9
TF = TC + 32◦
5
TC =

5
(TF − 32◦ )
9

TK = TC + 273.15

4

Coeficiente de expansión lineal

α=

∆L/L0
∆T

∆V = βV0 ∆Tβ = 3α

5

Problema 2.1

Un frasco de vidrio con volumen de 200 cm3 se llena hasta el borde de
mercurio a 20 ◦ C. Cuánto mercurio se desbordará si la temperatura del
sistema se eleva a 100 ◦ C. αv = 0.40x10−5 K−1 , βm = 18x10−5 K−1 .

Problema 2.2

Un centavo de dólar tiene 1.9 cm de diámetro a 20◦ C, y está hecho de una
aleación (principalmente zinc) con un coeficiente de expansiónlineal de
2.6x10−5 K−1 . Qué diámetro tendrá: en un día caluroso en Death Valley (48
◦
C)? Y en una noche fría en las montañas de Groenlandia (-53 ◦ C)?

Problema 2.3

Un operario hace un agujero de 1.35 cm de diámetro en una placa de acero a
una temperatura de 25◦ C. Qué área transversal tendrá el agujero a) a 25 ◦ C.
b) a 175◦ C. α = 1.2x10−5 K−1 .

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Problema 2.4

Un vaso hechode vidrio contiene una esfera de plomo de 4 cm 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?
αp = 29x10−6
αv = 9x10−6
βm = 1.82x10−4

9

Calor

Flujo o transferencia de calor Transferencia deenergía que se da por una
diferencia de temperatura.
Calor Es la energía transferida
Caloría Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de
agua de 14.5 ◦ C a 15.5 ◦ C.

1 cal = 4.186 J

10

Calor
Capacidad calorífica C Cantidad de energía necesaria para elevar en 1◦ C la
temperatura de una muestra

Q = C∆T
Calor específico c Capacidad calorífica por unidad de masac=

Q
m∆T

dQ = mcdT

11

Calor específico

12

Conservación de la energía
Qcold = −Qhot

+Q Flujo de calor hacia el sistema
−Q Flujo de calor hacia afuera del sistema
13

Problema 2.5

Una muestra de 50 g de cobre está a 25 ◦ C. Si 200 J de energía se le agregan
por calor, cuál es la temperatura final del cobre?

14

Problema 2.6

Una herradura de hierro de 1.5 kginicialmente a 600 ◦ C se deja caer en una
cubeta que contiene 20 kg de agua a 25 ◦ C. Cuál es la temperatura final?

15

Problema 2.7

Una taza de aluminio de 200 g de masa contiene 800 g de agua en equilibrio
térmico a 80◦ C. La combinación de taza y agua se enfría uniformemente de
modo que la temperatura desciende en 1.5 ◦ C por minuto. A qué ritmo se
remueve energía por calor?Expresar respuesta en watts.

Problema 2.8

Al correr, un estudiante de 70 kg genera energía térmica a razón de 1200 W.
Para mantener una temperatura corporal constante de 37 ◦ C, esta energía
debe eliminarse por sudor u otros mecanismos. Si tales mecanismos fallaran y
no pudiera salir calor del cuerpo, cuánto tiempo podría correr el estudiante
antes de sufrir un daño irreversible? (Lasestructuras proteínicas del cuerpo
se dañan a 44◦ C)
c=3480 J/kg·K

17

Problema 2.9

Se vierten 108 cm3 de etanol a una temperatura de -10 ◦ C, en un cilindro
inicialmente a 20 ◦ C, llenándolo hasta el borde superior. El cilindro está
hecho de vidrio con un calor específico de 840 J/Kg·K y βv = 1.2x10−5 K−1 ,
su masa es de 0.11 kg. La masa del etanol es de 0.0873 kg. a) Cuál será la...