Sean dos recipientes cúbicos A y B conteniendo hielo. Las paredes son adiabáticas, salvo la superior que está expuesta al aire. Los cubos de hielo están a una temperatura inicial de 0 ºC y la arista del cubo A es la mitad de la del cubo B. En el mismo lapso en que el cubo A se funde totalmente, la masa de B que se funde es:
a) toda.
b) la cuarta parte
de su masa inicial.
█ c) la mitad de su masa
inicial.
d) la octava parte de su masa inicial.
e) la décima parte de su masa inicial.
f) la tercera parte de su masa inicial.
Cubo A
Q/Δt
= - k A ΔT / x (Ley de Fourier)
Q/Δt
= flujo de calor
Q = calor absorbido por el cubo = MA L
MA = masa del cubo = VA δ
VA = Volumen del cubo A
δ =
densidad del hielo
Lf = calor latente de fusión del hielo
Δt = intervalo de tiempo (igual para los dos
cubos)
k = constante de conductividad térmica del
hielo
AA = área superior del cubo A
ΔT = variación de la temperatura (igual para
ambos cubos, ambos están a 0 ºC y en contacto con la temperatura ambiente)
x = espesor
Reemplazando
VA δ
Lf / Δt = - k
AA ΔT / x
Despejando Δt
Δt = VA δ
Lf x / (- k AA ΔT)
Cubo
B
QB/Δt
= - k AB ΔT / x (Ley de Fourier)
Donde
QB/Δt
= flujo de calor
QB = calor absorbido por el cubo = Mb Lf
Mb = masa derretida del cubo B = Vb δ
Vb = volumen derretido del cubo B
AB = área superior del cubo B
Reemplazando
Vb = (- k AB ΔT
/ x) VA δ
Lf x / (- k AA ΔT) / δ = AB
VA / AA
Con
xA = arista A = 1/2 arista B = 1/2 xB
AA = Area superior A = (xA)^2 = (1/2 xB)^2 = 1/4 (xB)^2 =
1/4 AB
VA = Volumen A = (xA)^3 = (1/2 xB)^3 = 1/8
(xB)^3 = 1/8 Volumen B = 1/8 VB
Reemplazando
Vb
= AB (1/ 8) VB / (1/ 4 AB)) = 1/ 2 VB
El
volumen derretido es 1 / 2 del volumen total de B
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