Argent 2014 ''

Problema Teórico 1

Dos recipientes de igual forma y dimensiones son conectados con un tubo muy fino, como se muestra en la figura. Los mismos son cargados de agua, inicialmente a la misma temperatura.

Indique la dirección del flujo de agua que se produce si se calienta:

A. el recipiente de la izquierda
B. el recipiente de la derecha

Suponga que el agua se calienta de una manera tal que la temperatura del agua en el otro recipiente permanece inalterada.

Topic: Thermodynamics, Fluid Mechanics, Elasticity & Materials Metodi: Ideal Gas Law, First Law of Thermodynamics, Hydrostatic Equilibrium Competenze: Physical Reasoning, Mathematical Modeling, Diagrammatic Reasoning Objects: Container, Tube Fonte: Testo (PDF) — p.2

Problema teorico 1

Due recipienti uguali di forma e dimensioni sono collegati con un tubo molto sottile, come mostra la figura. Questi sono carichi di acqua, inizialmente alla stessa temperatura.

Indicare la direzione del flusso d’acqua che si produce se si riscaldano:

A. il recipiente sinistro
B. il recipiente a destra

Supponiamo che l’acqua si riscaldasse in modo tale che la temperatura dell’acqua nell’altro contenitore rimanga invariata.

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Two vessels of equal shape and size are connected by a very fine tube, as shown in the figure. They’re loaded with water, initially at the same temperature.

Indicate the direction of the water flow that occurs if heated:

A. the left container
B. the right container

Suppose that the water is heated in such a way that the temperature of the water in the other container remains unchanged.

Problema Teórico 2

Un recipiente como el de la figura, con una partición y un pistón como pared del lado derecho, se llena con helio gaseoso.

La válvula en la pared central que divide al recipiente se abre si la presión de la parte derecha del mismo supera la del lado izquierdo. La superficie del área del pistón es $A = 100 cm^{2}$ . Considere que todas las paredes del recipiente y el pistón están construidos de materiales que no conducen el calor (recipiente perfectamente adiabático).

La posición inicial del pistón es tal que la longitud $l_{i}$ de la parte derecha e izquierda del recipiente (a cada lado de la pared con la válvula) es la misma, $l_{i} = 112 cm$ . Al comienzo del experimento hay una masa $m_{1} = 12 g$ de helio en la partición izquierda y $m_{2} = 2 g$ en la derecha.

La temperatura inicial es $T_{i} = 0^{\circ} C$ . La presión externa es $P_{i} = 1 \times 1 0^{5} Pa$ . Los valores de capacidad calorífica específica a volumen constante ( $c_{v}$ ) y a presión constante ( $c_{p}$ ) del helio, que se comporta como un gas ideal, son: $c_{v} = 3, 15 \times 1 0^{3} J/(kg\cdotK)$ y $c_{p} = 5, 25 \times 1 0^{3} J/(kg\cdotK)$ .

Imagine un experimento en el que ocurre lo siguiente: el pistón es empujado lentamente hacia adentro del recipiente, en el momento de la apertura de la válvula se detiene el pistón durante un determinado tiempo y luego continúa hasta alcanzar la pared central.

a) ¿Cuál es el trabajo realizado por la fuerza externa aplicada sobre el pistón hasta el instante previo a la apertura de la válvula? Desprecie la fricción.

b) ¿Por qué es necesario parar y esperar un momento durante el tiempo en el cual la válvula se abre?

c) ¿Cuál es el trabajo realizado por la fuerza externa aplicada sobre el pistón cuando este ha llegado a la pared central, partiendo de la posición inicial? Desprecie la fricción.

Topic: Thermodynamics, Kinetic Theory Metodi: Ideal Gas Law, First Law of Thermodynamics, Thermodynamic Cycle Analysis Competenze: Physical Reasoning, Mathematical Modeling Objects: Gas, Piston, Container Fonte: Testo (PDF) — p.3

Il problema teorico 2

Un recipiente come quello della figura, con una partizione e un pistone come parete sul lato destro, si riempie di elio gassoso.

La valvola sul muro centrale che divide il recipiente si apre se la pressione della parte destra del recipiente supera quella della parte sinistra. La superficie dell’area del pistone è $A = 100 cm^{2}$ . Considera che tutti i muri del recipiente e del pistone sono costruiti con materiali che non conducono il calore (vaso perfettamente adiabatico).

La posizione iniziale del pistone è tale che la lunghezza $l_{i}$ della parte destra e sinistra del recipiente (da entrambi i lati del muro con la valvola) sia la stessa, $l_{i} = 112 cm$ . All’inizio dell’esperimento c’è una massa $m_{1} = 12 g$ di elio nella parte sinistra e $m_{2} = 2 g$ nella parte destra.

La temperatura iniziale è $T_{i} = 0^{\circ} C$ . La pressione esterna è $P_{i} = 1 \times 1 0^{5} Pa$ . I valori di capacità calorifica specifica a volume costante ( $c_{v}$ ) e pressione costante ( $c_{p}$ ) dell’elio, che si comporta come un gas ideale, sono: $c_{v} = 3, 15 \times 1 0^{3} J/(kg\cdotK)$ e $c_{p} = 5, 25 \times 1 0^{3} J/(kg\cdotK)$ .

Immaginate un esperimento in cui si verifica la seguente cosa: il pistone viene spinto lentamente verso l’interno del recipiente, quando si apre la valvola il pistone si ferma per un certo periodo e poi continua fino a raggiungere il muro centrale.

a) Qual è il lavoro svolto dalla forza esterna applicata sul pistone fino all’istante precedente l’apertura della valvola? Sprezzate la friczione.

b) Perché è necessario fermarsi e aspettare un momento durante il tempo in cui si apre la valvola?

c) Qual è il lavoro effettuato dalla forza esterna applicata sul pistone quando esso ha raggiunto il muro centrale, partendo dalla posizione iniziale? Sprezzate la friczione.

Theoretical problem 2 is that the data is not available.

A container like the one in the figure, with a partition and a piston like a wall on the right side, is filled with gaseous helium.

The valve in the central wall dividing the container opens if the pressure on the right side of the container exceeds that on the left side. The surface area of the piston is $A = 100 cm^{2}$ . Consider that all the vessel walls and the piston are constructed of materials that do not conduct heat (perfectly adiabatic vessel).

The starting position of the piston is such that the $l_{i}$ length of the right and left side of the container (on each side of the valve wall) is the same, $l_{i} = 112 cm$ . At the beginning of the experiment there is a mass of $m_{1} = 12 g$ helium on the left partition and $m_{2} = 2 g$ on the right.

The starting temperature is $T_{i} = 0^{\circ} C$ . The external pressure is $P_{i} = 1 \times 1 0^{5} Pa$ . The values of the specific heat capacity at constant volume ( $c_{v}$ ) and constant pressure ( $c_{p}$ ) of helium, which behaves as an ideal gas, are: $c_{v} = 3, 15 \times 1 0^{3} J/(kg\cdotK)$ and $c_{p} = 5, 25 \times 1 0^{3} J/(kg\cdotK)$ .

Imagine an experiment in which the following occurs: The piston is slowly pushed into the container, at the moment the valve opens, the piston stops for a certain time and then continues until it reaches the central wall.

(a) What is the work done by the external force applied to the piston up to the moment before the valve is opened? You despise the friction.

(b) Why is it necessary to stop and wait for a moment during the time when the valve opens?

(c) What is the work done by the external force applied on the piston when it has reached the central wall, starting from the starting position? You despise the friction.

Problema Teórico 3

Una esfera de porcelana descansa sobre una plancha de cobre que tiene un orificio. Cuando la temperatura es $10^{\circ} C$ el radio del orificio es $R_{o} = 20 cm$ y el radio de la esfera es $R_{e} = 20, 05 cm$ .

Si el coeficiente de dilatación lineal del cobre es $α_{cu} = 1, 65 \times 1 0^{- 5}^{\circ} C^{- 1}$ y el de la porcelana es $α_{porc} = 0, 3 \times 1 0^{- 5}^{\circ} C^{- 1}$ , determinar:

a) ¿Cuál es el volumen de la esfera cuando su temperatura se incrementa $10^{\circ} C$ ?

b) ¿Cuál es el diámetro del orificio de la placa de cobre cuando la temperatura de ésta última se incrementa $10^{\circ} C$ ?

c) ¿Cuál es la menor temperatura a la que deben estar ambos objetos para que la esfera pueda deslizarse a través del orificio de la placa de cobre?

Topic: Thermodynamics, Elasticity & Materials Metodi: Physical Modeling, Approximation & Series Expansion Competenze: Physical Reasoning, Mathematical Modeling Objects: Sphere Fonte: Testo (PDF) — p.4

Problema teorico 3

Una sfera di porcellana si posa su una piastra di rame che ha un foro. Quando la temperatura è $10^{\circ} C$ il raggio del foro è $R_{o} = 20 cm$ e il raggio della sfera è $R_{e} = 20, 05 cm$ .

Se il coefficiente di dilatazione lineare del rame è $α_{cu} = 1, 65 \times 1 0^{- 5}^{\circ} C^{- 1}$ e quello della porcellana è $α_{porc} = 0, 3 \times 1 0^{- 5}^{\circ} C^{- 1}$ , determinare:

a) Qual è il volume della sfera quando la sua temperatura aumenta $10^{\circ} C$ ?

b) Qual è il diametro del foro della scheda di rame quando la temperatura della scheda di rame aumenta $10^{\circ} C$ ?

c) Qual è la temperatura più bassa che devono essere entrambi gli oggetti per consentire alla sfera di scivolare attraverso il foro della scheda di rame?

Theoretical problem 3

A porcelain ball rests on a copper plate that has a hole. When the temperature is $10^{\circ} C$ the radius of the hole is $R_{o} = 20 cm$ and the radius of the sphere is $R_{e} = 20, 05 cm$ .

If the coefficient of linear dilation of copper is $α_{cu} = 1, 65 \times 1 0^{- 5}^{\circ} C^{- 1}$ and that of porcelain is $α_{porc} = 0, 3 \times 1 0^{- 5}^{\circ} C^{- 1}$ , determine:

(a) What is the volume of the sphere when its temperature increases $10^{\circ} C$ ?

(b) What is the diameter of the hole of the copper plate when the temperature of the plate increases $10^{\circ} C$ ?

(c) What is the lowest temperature at which both objects must be in order for the sphere to slide through the hole of the copper plate?

Experimento 1 — Objetivo: Determinar la presión atmosférica

Breve descripción

Las moléculas de la superficie de un fluido forman una película, la cual produce una presión adicional sobre el interior del mismo: esta es la llamada fuerza de tensión superficial. La misma depende del coeficiente de tensión superficial $σ$ , que es una propiedad del fluido. Para un fluido en forma de gota esférica de radio $R$ , la presión adicional debida a la fuerza de tensión superficial es:

$Δ P = \frac{2 σ}{R}$

Elementos necesarios

Dos sorbetes
Una regla
Recipiente con solución jabonosa

Con la ayuda de los sorbetes y la solución jabonosa produzca dos pompas de jabón con diferente diámetro.

a) Mida los diámetros correspondientes a las dos pompas de jabón.

Luego de esto, junte cuidadosamente las dos pompas de jabón y procure que se forme una única pompa.

b) Determine el diámetro de esta última pompa.

Debe realizar este experimento con bastante rapidez y esto requerirá algo de práctica. Los resultados son apropiados si las burbujas son estables y no cambian significativamente de tamaño durante las mediciones.

c) Usando los valores medidos de diámetro o radio de las tres pompas, y el valor promedio del coeficiente de tensión superficial de la solución de agua jabonosa ( $σ = 45, 0 \times 1 0^{- 3} N/m$ ), encuentre una fórmula adecuada para calcular la presión atmosférica.

Repita el experimento varias veces.

d) Evalúe las bondades del método.

Topic: Fluid Mechanics, Thermodynamics Metodi: Physical Modeling, Experimental Data Analysis, Error Propagation Competenze: Experimental Data Analysis, Measurement & Instrumentation, Error Propagation Objects: Bubble Fonte: Testo (PDF) — p.9

Esperimento 1 Obiettivo: Determinare la pressione atmosferica

Brie descrizione

Le molecole della superficie di un fluido formano un film che produce una pressione aggiuntiva sull’interno del fluido: questa è la forza di tensione superficiale. La stessa dipende dal coefficiente di tensione superficiale $σ$ , che è una proprietà del fluido. Per un fluido a forma di goccia radiofonica $R$ , la pressione aggiuntiva dovuta alla forza di tensione superficiale è:

$Δ P = \frac{2 σ}{R}$

Elementi necessari

Due sorbette.
Una regola
recipiente con soluzione di sapone

Con l’aiuto di sorbetti e soluzione di sapone produce due pompe di sapone di diametro diverso.

a) Misura i diametri corrispondenti alle due pompe di sapone.

Dopo di che, unite attentamente le due pompe di sapone e fate sì che si formi una sola pompa.

b) Determina il diametro di quest’ultima pompa.

Dovete fare questo esperimento abbastanza rapidamente e questo richiederà un po’ di pratica. I risultati sono appropriati se le bolle sono stabili e non cambiano significativamente di dimensione durante le misurazioni.

c) Usando i valori misurati di diametro o di raggio delle tre pompe e il valore medio del coefficiente di tensione superficiale della soluzione di acqua saponante ( $σ = 45, 0 \times 1 0^{- 3} N/m$ ), trovare una formula adeguata per calcolare la pressione atmosferica.

Ripeti l’esperimento più volte.

d) Valutare le buone qualità del metodo.

The test results are based on the results of the experiment.

The following information is provided by the manufacturer:

The molecules on the surface of a fluid form a film, which produces additional pressure on the inside of the fluid: this is called the surface tension force. It depends on the surface tension coefficient $σ$ , which is a property of the fluid. For a spherical radial drop fluid $R$ , the additional pressure due to the surface tension force is:

$Δ P = \frac{2 σ}{R}$

The following information is provided by the Commission:

Two sorbetes .
There’s a rule.
Container with soapy solution

With the help of the sorbet and the soap solution, it produces two soap pumps of different diameter.

(a) Measure the diameters of the two soap pumps.

After this, carefully combine the two soap pumps and make sure that a single pump is formed.

(b) Determine the diameter of this latter pump.

You need to do this experiment pretty quickly and this will require some practice. The results are appropriate if the bubbles are stable and do not change significantly in size during measurements.

(c) Using the measured values of diameter or radius of the three pumps and the mean value of the surface tension coefficient of the soapy water solution ( $σ = 45, 0 \times 1 0^{- 3} N/m$ ), find an appropriate formula for calculating atmospheric pressure.

Repeat the experiment several times.

(d) Assess the benefits of the method.

Experimento 2 — Objetivo: Estudiar el efecto de la presión atmosférica

Elementos necesarios

Una vela o alcohol (tapitas de gaseosa para contener a este último)
Una regla
Termómetro para estimar la temperatura en el aula
Fuente profunda o un plato hondo, transparentes en lo posible
Un frasco de vidrio transparente o un vaso, en lo posible rectos
Agua
Fósforos

Seguridad: el experimento involucra combustibles (alcohol, cera) en combustión, sea cuidadoso. No utilice grandes cantidades de alcohol (no más de media tapita de gaseosa). Mantenga el recipiente de alcohol lejos del lugar donde realizará la experiencia. Use fósforos de seguridad, NO USE ENCENDEDOR.

Procedimiento:

A. Poner agua en el recipiente (fuente o plato).
B. Poner alcohol en una tapita y ponerla a flotar sobre el agua. Encender el alcohol. (En caso de usar una vela, ponerla parada verticalmente en el recipiente y encenderla.)
C. Cubrirla con el frasco, intentando minimizar las pérdidas de aire (burbujas).
D. Determinar el momento en que comienza a ascender el agua dentro del frasco.
E. Cuando el fuego se haya extinguido, esperar unos minutos y medir la altura que alcanzó el nivel de agua dentro del frasco (medir respecto de la superficie de agua del recipiente). f) Determinar el cambio de volumen ocupado por el gas. g) Considerando la presión atmosférica (consultar al docente su valor regional), determinar la presión final en el interior del frasco. h) Determinar el número de moles de gas existentes en el frasco. i) Con los datos obtenidos, estimar el valor de la temperatura del aire, dentro del frasco, al inicio del experimento. j) Repetir este procedimiento varias veces. k) Explicar las observaciones y los resultados.

Topic: Thermodynamics, Kinetic Theory Metodi: Ideal Gas Law, Experimental Data Analysis, Physical Modeling Competenze: Experimental Data Analysis, Measurement & Instrumentation, Physical Reasoning Objects: Container, Gas Fonte: Testo (PDF) — p.10

Esperimento 2 Obiettivo: studiare l’effetto della pressione atmosferica

Elementi necessari

una candela o un’alcol (cappettine di gasosa per contenere l’alcol)
Una regola
Termodermico per stimare la temperatura in aula
Fonte profonda o piatto profondo, trasparente quanto possibile
un flacone di vetro trasparente o un bicchiere, se possibile retto
L’acqua
Fosforo

Sicurezza: l’esperimento coinvolge combustibili (alcol, cera) in combustione, fate attenzione. Non usare grandi quantità di alcol (non più di mezzo tappeto di gasosa). Tenete il contenitore di alcol lontano dal luogo in cui si svolge l’esperienza. Usa matches di sicurezza, non un accenditore.

**Procedura: **

A. Mettere acqua nel recipiente (fonte o piatto).
B. Metti l’alcol su un tappeto e mettila a galla. Accendere l’alcol. (Se si usa una candela, la metti fermata verticalmente sul contenitore e accendetela.)
C. Coprirla con il flacone, cercando di ridurre al minimo le perdite di aria (bolle).
D. Determine il momento in cui l’acqua inizia a salire dentro il flacone.
E. Quando il fuoco è stato estinto, aspettate alcuni minuti e misurate l’altezza raggiunta dal livello dell’acqua all’interno del flacone (misurare rispetto alla superficie dell’acqua del recipiente). f) Determinare il cambiamento di volume del gas. g) Considerando la pressione atmosferica (concordare con il docente il suo valore regionale), determinare la pressione finale all’interno del frasco. h) Determinare il numero di molli di gas presenti nel frasco. i) Con i dati ottenuti, stimare il valore della temperatura dell’aria dentro il frasco all’inizio dell’esperimento. j) Ripetere questa procedura più volte. k) Esprimi le osservazioni e i risultati.

Experiment 2 Objective: To study the effect of atmospheric pressure

The following information is provided by the Commission:

A candle or alcohol (gasse-coated to contain the latter)
There’s a rule.
Thermometer to estimate the temperature in the classroom
Deep fountain or deep plate, as transparent as possible
A clear glass jar or glass, if possible straight
Water
Phosphorus

Safety: The experiment involves fuel (alcohol, wax) in combustion, be careful. Do not use large amounts of alcohol (not more than half a gauze). Keep the alcohol container away from the place where you will be performing the experiment. Use safety matches, not a lighter.

The following information shall be provided:

A. Put water in the container (source or dish).
B. Put alcohol on a rug and let it float on water. Turn the alcohol on. (If you use a candle, place it vertically in the container and light it.)
C. Cover it with the vial, trying to minimize air losses (bubbles).
D. Determine when the water inside the vial begins to rise.
E. When the fire has been extinguished, wait a few minutes and measure the height reached by the water level inside the vial (measured against the water surface of the container). (f) Determine the change in volume of gas. (g) Considering the atmospheric pressure (consult the teacher about its regional value), determine the final pressure inside the vial. (h) Determine the number of gas moles in the vial. (i) Estimate the value of the air temperature inside the vial at the start of the experiment with the data obtained. (j) Repeat this procedure several times. (k) Explain the observations and results.

Raccolta Gare di Fisica

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