Ejercicios: Efectos del calor y aplicaciones cotidianas

Entre los rieles de la vía del tren se dejan unos pequeños huecos cada cierta distancia, y lo mismo ocurre entre los tramos de muchos puentes, como se muestra en la figura.

¿Qué efecto del calor están previniendo esas juntas? ¿Qué podría pasar si no existieran?

Un termómetro clásico tiene un bulbo con un líquido (antes mercurio, hoy alcohol coloreado) que sube por un tubo muy fino cuando hace calor, como se muestra en la figura.

¿En qué efecto del calor se basa su funcionamiento? Explicalo.

Al calentar hielo, primero se convierte en agua líquida y, si seguimos calentando, en vapor. Observá el esquema de la figura:

1. a) ¿Cómo se llaman esos dos cambios de estado?
2. b) ¿Cómo se llaman los cambios contrarios, los que ocurren al enfriar?
3. c) En cada uno de los cuatro cambios, indicá si el agua absorbe o cede energía.

Explicá con tus palabras qué es la dilatación y poné un ejemplo cotidiano en el que se note, distinto del termómetro.

¿Por qué nos abriga una campera de polar o un pulóver de lana? ¿La prenda «da calor» al cuerpo o hace otra cosa? Explicalo.

Un termo mantiene el café caliente durante horas, pero también sirve para llevar agua fría en verano. Explicá qué hace el termo con el calor en cada caso: ¿calienta, enfría o impide que el calor pase?

Las ventanas de doble vidrio llevan una capa de aire encerrada entre los dos vidrios, como se muestra en la figura.

Sabiendo que el aire quieto es mal conductor del calor, explicá qué se consigue con esa capa en invierno.

Tendés la ropa mojada y, al cabo de unas horas, está seca.

1. a) ¿Qué cambio de estado sufrió el agua de la ropa?
2. b) ¿De dónde sacó la energía necesaria para ese cambio?

Un puente de hormigón de $300\ \text{m}$ puede alargarse varios centímetros en verano.

1. a) ¿Por qué se alarga?
2. b) ¿Qué ocurriría en los extremos del puente si se construyera sin juntas de dilatación?
3. c) Las juntas, ¿estarán más abiertas o más cerradas en invierno? Razoná la respuesta.

La tapa metálica de un frasco de mermelada no hay forma de abrirla. La ponés unos segundos bajo la canilla de agua caliente y, al probar de nuevo, abre con facilidad. Explicá qué ocurrió, teniendo en cuenta que el metal se dilata más que el vidrio.

En una olla a presión el vapor no puede escapar y la presión interior aumenta, de modo que el agua hierve por encima de los $100\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Explicá por qué la comida se cocina antes que en una olla común.
2. b) ¿Qué relación hay entre la presión y la temperatura de ebullición del agua?

Un termo está formado por un recipiente de doble pared con vacío entre ellas, superficies plateadas y un tapón hermético, como se muestra en la figura.

Explicá qué mecanismo de transmisión del calor bloquea cada una de esas tres características.

En las casas con piso radiante, unos tubos de agua caliente recorren el piso y calientan la vivienda de forma muy agradable.

1. a) ¿Por qué mecanismo se reparte el calor desde el piso al resto de la habitación?
2. b) ¿Por qué resulta más confortable calentar desde el piso que con un radiador chico muy caliente en una esquina?

Cuando hace mucho calor sudamos y, al evaporarse el sudor, notamos alivio.

1. a) ¿Qué cambio de estado sufre el sudor?
2. b) Ese cambio necesita energía: ¿de dónde la toma?
3. c) Usá lo anterior para explicar por qué un ventilador nos refresca aunque no enfríe el aire.

Ponés dos cubitos de hielo en un vaso de gaseosa que está a temperatura ambiente.

1. a) ¿Qué cambio de estado sufren los cubitos?
2. b) ¿De dónde sacan la energía necesaria para ese cambio?
3. c) Explicá, con las respuestas anteriores, por qué se enfría la bebida.

El líquido de un termómetro se dilata muy poco y, sin embargo, la columna sube mucho por el tubo. Sabiendo que el tubo es un capilar muy fino, explicá cómo se consigue que una pequeña dilatación del volumen se convierta en una subida grande y fácil de leer.

En las vías modernas de los trenes de alta velocidad los rieles van soldados formando tramos continuos de kilómetros, sin juntas, a pesar de la dilatación.

1. a) ¿Qué problema resolvían las juntas clásicas entre rieles?
2. b) ¿Por qué creés que un tren de alta velocidad prefiere rieles continuos?
3. c) Razoná cómo se puede fijar el riel a los durmientes para que aguante la dilatación: al instalarlo, ¿conviene dejarlo más tenso en verano o en invierno? Justificalo.

Una lámina bimetálica está formada por dos metales distintos unidos entre sí; al calentarla, uno se dilata más que el otro y la lámina se curva.

1. a) ¿Hacia qué lado se curva: hacia el metal que más se dilata o hacia el que menos? Justificalo.
2. b) Los termostatos de las planchas y de la calefacción usan este efecto para conectar y desconectar el aparato. Explicá cómo funciona la idea.

Te olvidás en el freezer una botella de vidrio completamente llena de agua y bien cerrada y, al día siguiente, está rota.

1. a) El agua es una sustancia anómala: al congelarse se dilata en lugar de contraerse. Explicá, con ese dato, por qué se rompió la botella.
2. b) Predecí qué pasaría si la botella fuera de plástico blando y no estuviera llena del todo. Razoná la respuesta.

Una quemadura con vapor de agua a $100\ ^\circ\text{C}$ es más grave que una quemadura con agua hirviendo a $100\ ^\circ\text{C}$.

1. a) ¿Qué cambio de estado sufre el vapor al tocar la piel?
2. b) Teniendo en cuenta que ese cambio de estado desprende energía, explicá por qué el vapor quema más aunque esté a la misma temperatura que el agua hirviendo.

Un iglú está hecho de bloques de nieve compactada, llena de pequeñas bolsas de aire, y en su interior la temperatura se mantiene cerca de $0\ ^\circ\text{C}$ aunque afuera haga $-20\ ^\circ\text{C}$, como se muestra en la figura.

1. a) ¿Por qué la nieve compactada es un buen aislante a pesar de estar fría?
2. b) ¿Qué mecanismos de pérdida de calor reduce la forma cerrada del iglú?
3. c) Si adentro la temperatura sube por encima de $0\ ^\circ\text{C}$, ¿no se derrite el iglú? Razoná las tres respuestas.

En la cima de un pico de $3000\ \text{m}$, donde la presión atmosférica es bastante menor que a nivel del mar, el agua hierve a unos $90\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Explicá qué relación hay entre la presión y la temperatura de ebullición del agua.
2. b) ¿Por qué cuesta más cocinar bien un huevo en la montaña que en la playa, aunque el agua esté hirviendo en los dos lugares?
3. c) ¿Qué pasaría si usaras una olla a presión en la montaña? Justificalo.

Una vivienda tiene ventanas de doble vidrio, persianas exteriores y cortinas gruesas.

1. a) Explicá qué aporta cada uno de los tres elementos para frenar las pérdidas de calor en invierno.
2. b) En verano, ¿qué combinación de persianas y cortinas usarías de día y de noche para mantener la casa fresca? Justificá tus decisiones pensando en los tres mecanismos de transmisión del calor.

Un globo aerostático sube cuando un quemador calienta el aire de su interior, como se muestra en la figura.

1. a) Al calentarse, ¿el aire se dilata o se contrae?
2. b) ¿Cómo cambia su densidad respecto al aire de fuera?
3. c) Explicá por qué sube el globo y qué debe hacer el piloto para descender, relacionándolo todo con los efectos del calor.

Reto del tema. Como auditor energético doméstico, diseñá un prototipo de aislamiento para evitar que una bebida caliente se enfríe rápidamente.

1. Condiciones ambientales: Consultá en la web del Servicio Meteorológico Nacional (SMN) la temperatura actual de tu localidad y registrala junto a la del interior de tu casa, expresando ambas en grados Celsius y en kelvin ($T(\text{K}) = T(^\circ\text{C}) + 273,15$).

2. Experimento casero: Volcá agua caliente en dos vasos iguales: uno al aire y otro tapado con papel de aluminio. Medí la temperatura cada $3\text{ min}$ durante $15\text{ min}$, considerando la incertidumbre instrumental (termómetro $\pm 1\,^\circ\text{C}$ y cronómetro $\pm 1\text{ s}$).

3. Tratamiento de datos: Construí una tabla con tus medidas y graficá las curvas de enfriamiento ($T$ frente a $t$). Identificá en qué zonas actúan la conducción, la convección y la radiación, analizando el equilibrio térmico con el entorno.

4. Propuesta razonada: Diseñá un informe breve con una propuesta de termo casero eficiente usando materiales reciclados cotidianos.

Se valorará:

• Conversión correcta entre escalas termométricas y expresión adecuada de incertidumbres ($\pm 1\,^\circ\text{C}$, $\pm 1\text{ s}$).

• Construcción rigurosa de la tabla de datos y gráfico comparativo de enfriamiento.

• Identificación y justificación física precisa de conducción, convección y radiación.

• Coherencia científica, creatividad y viabilidad en la propuesta del aislante casero.