Ejercicios Jou Calor
Listado de Ejercicios Jou
Capítulo 4: Termodinámica

1. ¿Qué temperatura de la escala Celsius corresponde a 100 grados en la escala Fahrenheit?

Resultado: 37,8 °C.

2. Un termómetro con una escala arbitraria marca –20° en el punto de fusión del hielo. Sabiendo que cada grado de esta escala corresponde a dos de la escala Celsius, ¿cuál será en esa escala la temperatura del punto de ebullición de agua a presión atmosférica?

Resultado: 30°.

6. La producción de energía eléctrica del conjunto de centrales europeas equivale a 2×10¹⁶ J diarios. Si el rendimiento medio de las centrales es de 20 por 100:
a) ¿cuánto calor pasa al medio ambiente cada día?;
b) ¿qué cantidad de agua se necesita para absorber esta energía suponiendo que el sistema de refrigeración impone que el aumento de temperatura no puede ser superior a 2 °C?

Resultados: a) 1,91×10¹⁶ cal; b) 0,96×10¹³ kg.

7. Un objeto de 5 kg de masa golpea repetidamente un clavo de 100 g. Ambos son de hierro. La velocidad del objeto al chocar es de 4 m/s (c_Fe = 0,115 cal/g°C). Si la mitad de la energía cinética del objeto se invierte en trabajo mecánico de clavar el clavo y el resto de la energía calienta tanto el objeto como el clavo, ¿cuántos golpes deberemos dar para que la temperatura suba 0,82 °C?

Resultado: 100 golpes.

8. Una bola de nieve cae desde un tejado situado 20 m por encima del nivel del suelo. Si su temperatura inicial es de –10 °C y se supone que ninguna fracción de calor se pierde al medio ambiente, ¿cuál será la temperatura final de la bola? (Calor específico, 0,500 kcal /kg K.)

Resultado: –9,906 °C.

9. ¿Qué energía debe extraer un refrigerador de una masa de 10 kg de agua inicialmente a 20 °C para tener hielo a –5 °C? (Calor latente de fusión, 79,7 kcal/kg.)

Resultado: 1 022 kcal.

11. Normalmente, la temperatura de la piel es 34 °C y la del organismo 37 °C.
a) Calcular las pérdidas por conducción si la conductividad calorífica vale 121×10^–3 cal/cm s °C y que este flujo se establece en una distancia de 3 cm.
b) ¿En cuánto se incrementaría esta cantidad si la temperatura de la piel fuera 15 °C? (Suponer que el área superficial es 1,8 m².)

Resultados: a) 21,78 cal/s; b) 159,72 cal / s.

12. Una cacerola de aluminio de 15 cm de diámetro, llena de agua, está en un hornillo. Cada minuto hierven 300 g de agua. ¿A qué temperatura está la parte exterior del fondo de la cacerola si su espesor es de 2 m, despreciando las pérdidas térmicas, sabiendo que la conductividad térmica del aluminio es de 210 J /s m °C? (Calor latente de ebullición, 539 kcal /kg.)

Resultado: 106,1 °C.

13. Una caja de dimensiones 0,5 × 0,3 × 0,35 m está aislada con un material de espesor que tiene una conductividad térmica de 10^–3 kcal/s m K. Si la diferencia de temperaturas entre el exterior y el interior es de 35 °C, ¿cuánta energía atraviesa las paredes de la caja por segundo? b) ¿Cuánto hielo se fundirá en una hora dentro de la caja? (Calor latente de fusión del hielo, 79,7 kcal / kg.)

Resultados: a) 1,51 kcal / s; b) 67,97 kg.

14. En el interior de una célula esférica en reposo de 10 000 Å de radio se producen reacciones metabólicas que producen una energía de 1,7 cal / h. La célula está en un medio acuoso a 20 °C y su temperatura se ha de mantener constante a 30 °C. ¿Cuál será la máxima potencia que puede desarrollar la célula si la conductividad térmica celular es de 0,80 cal / K h cm, siendo el espesor de la membrana 100 Å?

Resultado: 0,7 cal / h.

15. El ritmo metabólico de un insecto vale 12 cal / h y su temperatura es de 20 °C. ¿A qué temperatura se mantendrá en invierno si reduce su ritmo metabólico a la mitad y se protege con una capa de segregaciones de un milímetro de espesor y de conductividad térmica de 10 cal / K h cm? (Temperatura ambiente invernal, 5 °C; superficie del insecto, 0,5 cm².)

Resultado: 5,12 °C.

16. Una persona desnuda con un cuerpo de 1,5 m² de área y con la piel a 40 °C de temperatura está en una sauna a 80 °C.
a) ¿Cuánto calor absorbe la persona por radiación de las paredes, suponiendo que el coeficiente de emisión vale 1.
b) ¿Cuánto calor absorbe la persona por conducción suponiendo que la conductividad calorífica vale 1,21 × 10^–3 cal / cm s °C y que el flujo se establece en una distancia de 3 cm?
c) ¿Cuánta energía radia la persona?
d) ¿Cuánto sudor ha evaporado por hora, suponiendo que no haya ninguna transferencia convectiva?
(Despréciese la producción metabólica de calor. Calor latente de ebullición, 539 kcal / s.)

Resultados: a) 317,1 cal / s; b) 242 cal / s; c) 196 cal / s; d) 2,4 kg / h.