Trabajo y calor como transferencias de energía

Marcos tiene las manos frías y las apoya en la taza de chocolate caliente de su hermana. Al rato nota las manos mucho mejor.

1. a) ¿Las manos de Marcos recibieron energía por trabajo o por calor?
2. b) ¿Qué cuerpo cedió energía y cuál la ganó?

Clasificá cada situación según la energía se transfiera por trabajo (actúa una fuerza) o por calor (hay diferencia de temperatura):

1. a) Estirás una gomita elástica con los dedos.
2. b) Una sartén fría sobre la cocina eléctrica encendida.
3. c) La batidora revuelve el jugo con fuerza.
4. d) Calentás las manos acercándolas a una fogata.
5. e) Frotás las manos entre sí para entrar en calor.

Completá la frase con las palabras que faltan: «Un sistema puede ganar o perder energía de dos maneras: mediante $\dots$, cuando una $\dots$ produce un desplazamiento, o mediante $\dots$, cuando existe una diferencia de $\dots$ entre dos cuerpos». Poné después un ejemplo cotidiano de cada manera.

El trabajo que realiza una fuerza constante que empuja un cuerpo en la dirección del movimiento se calcula con $W = F \cdot d$, donde $d$ es la distancia recorrida. En el supermercado, Noa empuja el carrito con una fuerza de $20\ \text{N}$ a lo largo de $5\ \text{m}$ por el pasillo, como se muestra en la figura.

1. a) Calculá el trabajo que realizó.
2. b) ¿En qué se convirtió principalmente ese trabajo si el carrito va cada vez más rápido?

En una obra hay dos grúas: la grúa A sube una viga tirando con $400\ \text{N}$ durante $3\ \text{m}$ y la grúa B sube un bolsa de cemento tirando con $250\ \text{N}$ durante $5\ \text{m}$.

1. a) Calculá el trabajo de cada grúa.
2. b) ¿Cuál de las dos transfirió más energía? Comentá si la grúa que tira con más fuerza es también la que más trabajo hace.

En el gimnasio, Héctor levanta una pesa de $20\ \text{kg}$, cuyo peso es de unos $200\ \text{N}$ (tomá $g = 10\ \text{m/s}^2$), desde el piso hasta $1,5\ \text{m}$ de altura.

1. a) Calculá el trabajo que realiza en cada levantamiento.
2. b) ¿Cuánto trabajo acumula en una serie de $12$ levantamientos?
3. c) ¿De dónde sale la energía que Héctor transfiere a la pesa?

En el Sistema Internacional, tanto el trabajo como el calor se miden en joules ($\text{J}$), la misma unidad que la energía. Explicá con tus palabras por qué tiene sentido que las tres cosas compartan unidad.

Querés aumentar la energía interna de medio litro de agua de la canilla y se te ocurren dos planes: ponerla al fuego en una cacerola o revolverla enérgicamente con una varilla durante un buen rato.

1. a) Indicá por qué vía llega la energía al agua en cada plan, trabajo o calor.
2. b) Explicá qué demostró Joule con experimentos de este tipo sobre la relación entre trabajo y calor.

En un experimento clásico como el de Joule, una pesa de $4\ \text{kg}$ cae y hace girar unas paletas que remueven el agua de un recipiente, como se muestra en la figura. Tomá $g = 10\ \text{m/s}^2$, de modo que la pesa tira de la cuerda con una fuerza de $40\ \text{N}$.

1. a) Si la pesa desciende $1,5\ \text{m}$, calculá el trabajo que realiza sobre las paletas en una caída.
2. b) La pesa se sube y se vuelve a soltar $25$ veces. ¿Cuánto trabajo se ha transferido al agua en total?
3. c) ¿En qué se ha convertido ese trabajo dentro del recipiente? Explicá qué equivalencia entre trabajo y calor ilustra este experimento.

Irene baja una cuesta larga con la bici y aprieta el freno casi todo el rato. Al llegar abajo toca con cuidado la pastilla del freno y nota que está caliente.

1. a) ¿La energía llegó a la pastilla mediante un trabajo o mediante calor?
2. b) ¿Qué fuerza realizó esa transferencia de energía?

Al inflar la rueda de la bici con un inflador de mano, el tubo del inflador se pone caliente después de unos cuantos bombeos.

1. a) ¿Qué trabajo se realiza en cada bombeo y sobre qué?
2. b) Explicá por qué se calienta el tubo aunque no haya ninguna fuente de calor cerca.

Un auto que circulaba a $90\ \text{km/h}$ frena hasta parar. La energía que llevaba el auto, ¿desapareció? Explicá adónde fue a parar según el primer principio de la termodinámica.

Un sistema recibe $500\ \text{J}$ de trabajo de su entorno y, a la vez, cede $200\ \text{J}$ en forma de calor al ambiente, como se muestra en la figura.

1. a) Calculá en cuánto varió la energía del sistema.
2. b) Explicá qué significa el signo del resultado: ¿el sistema termina con más o con menos energía?

En un depósito, Leo arrastra una caja pesada por el piso con una fuerza constante de $60\ \text{N}$ a lo largo de $12\ \text{m}$, manteniendo la velocidad siempre igual, como se muestra en la figura.

1. a) Calculá el trabajo que realiza Leo sobre la caja.
2. b) Si la caja no gana velocidad, ¿a dónde va a parar ese trabajo? Justificalo con el primer principio.

Decí si la frase es verdadera o falsa y corregí la idea: «Cuando le pongo un hielo a la gaseosa, el frío del hielo pasa a la gaseosa y por eso se enfría».

Tapá la salida de una jeringa con el dedo y empujá el émbolo con una fuerza media de $40\ \text{N}$; el émbolo avanza $5\ \text{cm}$, como se muestra en la figura.

1. a) Expresá el desplazamiento en metros.
2. b) Calculá el trabajo que realizás sobre el aire atrapado con $W = F \cdot d$.
3. c) Predecí qué le ocurre a la temperatura del aire atrapado y justificalo.

Un motor tira de una caja por un piso rugoso con velocidad constante y realiza un trabajo de $1000\ \text{J}$. En ese mismo recorrido, el rozamiento con el piso disipa $1000\ \text{J}$ en forma de calor, como se muestra en la figura.

1. a) ¿Cuánto aumentó la energía de la caja en ese tramo?
2. b) Relacioná el resultado anterior con el hecho de que la velocidad sea constante.
3. c) Si en el mismo tramo el motor hubiera realizado $1300\ \text{J}$ de trabajo, ¿qué le habría pasado a la caja? Cuantificalo.

Un auto baja un paso de montaña de $8\ \text{km}$ con el freno pisado casi todo el tiempo. En la bajada, los frenos disipan en total $400\,000\ \text{J}$ repartidos entre los cuatro discos.

1. a) ¿Cuánta energía recibe cada disco, suponiendo el reparto por igual?
2. b) Esa energía llega a los discos por trabajo o por calor, ¿y a dónde pasa después?
3. c) Explicá por qué es peligroso abusar del freno en bajadas largas y por qué el «freno motor» ayuda, usando la idea de que la energía no desaparece.

En la combustión de la nafta de un tanque se liberan $20\,000\ \text{J}$ de energía química. De ellos, las ruedas del auto reciben $6000\ \text{J}$ de trabajo útil, como se muestra en la figura.

1. a) Calculá cuánta energía se pierde en forma de calor.
2. b) ¿Qué porcentaje de la energía del combustible se aprovecha como trabajo?
3. c) Indicá por dónde sale el calor del auto y explicá por qué este balance no contradice el primer principio aunque «se pierda» energía.

Durante cierto intervalo, los paneles solares de la Estación Espacial Internacional captan $100\,000\ \text{J}$ de energía solar. De ellos, $40\,000\ \text{J}$ alimentan la electrónica de a bordo y $35\,000\ \text{J}$ se almacenan en las baterías.

1. a) Calculá cuánta energía se disipa como calor.
2. b) Clasificá cada uno de los tres destinos según sea transferencia por trabajo, por calor o almacenamiento.
3. c) Explicá con tus palabras qué afirma el primer principio de la termodinámica usando este balance como ejemplo.

En una fragua, el herrero golpea un trozo de hierro al rojo y cada martillazo le comunica un trabajo de $150\ \text{J}$. En total da $40$ golpes.

1. a) Calculá el trabajo total transferido al hierro.
2. b) Al terminar, la energía interna del hierro solo aumentó $3000\ \text{J}$. ¿Qué pasó con el resto de la energía?
3. c) Explicá con el primer principio por qué el herrero oye el golpe y siente calor en la cara al mismo tiempo.

Al inflar una rueda con bomba de mano, en cada bombeada empujás el émbolo con una fuerza media de $60\ \text{N}$ a lo largo de $0,3\ \text{m}$.

1. a) Calculá el trabajo de cada bombeada y el de $50$ bombeadas seguidas.
2. b) Si del total solo $600\ \text{J}$ se quedan aumentando la energía del aire y del tubo, ¿cuánta energía se cedió al ambiente y en qué forma?
3. c) Explicá por qué el tubo de la bomba está tibio al terminar aunque no lo hayas acercado a ninguna fuente de calor.

Dos inventores presentan sus máquinas. El inventor A asegura que su máquina recibe $600\ \text{J}$ de energía de un combustible y entrega $1000\ \text{J}$ de trabajo. El inventor B afirma que la suya recibe $1000\ \text{J}$ y entrega $700\ \text{J}$ de trabajo, cediendo otros $300\ \text{J}$ como calor. Los balances de cada máquina se muestran en la figura.

1. a) Evaluá la máquina del inventor A con el primer principio: ¿es posible? Razoná la respuesta con el balance de energía.
2. b) Hacé lo mismo con la máquina del inventor B.
3. c) Enunciá con tus palabras el primer principio de la termodinámica.