Exercicis: Efectes de la calor i aplicacions quotidianes

Entre els carrils de la via del tren es deixen uns petits buits cada certa distància, i el mateix passa entre els trams de molts ponts, com es mostra a la figura.

Quin efecte de la calor estan prevenint aquestes juntes? Què podria passar si no existissin?

Un termòmetre clàssic té un bulb amb un líquid (abans mercuri, avui alcohol acolorit) que puja per un tub molt fi quan fa calor, com es mostra a la figura.

En quin efecte de la calor es basa el seu funcionament? Explica-ho.

En escalfar gel, primer es converteix en aigua líquida i, si continuem escalfant, en vapor. Observa l'esquema de la figura:

1. a) Com es diuen aquests dos canvis d'estat?
2. b) Com es diuen els canvis contraris, els que tenen lloc en refredar?
3. c) En cadascun dels quatre canvis, indica si l'aigua absorbeix o cedeix energia.

Explica amb les teves paraules què és la dilatació i posa un exemple quotidià en què es noti, diferent del termòmetre.

Per què ens abriga un folre polar o un jersei de llana? La peça de roba «dona calor» al cos o fa una altra cosa? Explica-ho.

Un termos manté el cafè calent durant hores, però també serveix per portar aigua freda a l'estiu. Explica què fa el termos amb la calor en cada cas: escalfa, refreda o impedeix que la calor passi?

Les finestres de doble vidre porten una capa d'aire tancada entre els dos vidres, com es mostra a la figura.

Sabent que l'aire quiet és mal conductor de la calor, explica què s'aconsegueix amb aquesta capa a l'hivern.

Estens la roba mullada i, al cap d'unes hores, està eixuta.

1. a) Quin canvi d'estat ha experimentat l'aigua de la roba?
2. b) D'on ha tret l'energia necessària per a aquest canvi?

Un pont de formigó de $300\ \text{m}$ es pot allargar diversos centímetres a l'estiu.

1. a) Per què s'allarga?
2. b) Què passaria als extrems del pont si es construís sense juntes de dilatació?
3. c) Les juntes, estaran més obertes o més tancades a l'hivern? Raona la resposta.

El tap metàl·lic d'un pot de melmelada no hi ha manera d'obrir-lo. El poses uns segons sota l'aixeta d'aigua calenta i, en provar-ho de nou, s'obre amb facilitat. Explica què ha passat, tenint en compte que el metall es dilata més que el vidre.

En una olla de pressió el vapor no pot escapar i la pressió interior augmenta, de manera que l'aigua bull per sobre dels $100\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Explica per què el menjar es cou abans que en una olla normal.
2. b) Quina relació hi ha entre la pressió i la temperatura d'ebullició de l'aigua?

Un termos està format per un recipient de doble paret amb buit entremig, superfícies platejades i un tap hermètic, com es mostra a la figura.

Explica quin mecanisme de transmissió de la calor bloqueja cadascuna d'aquestes tres característiques.

A les cases amb terra radiant, uns tubs d'aigua calenta recorren el terra i escalfen l'habitatge de manera molt agradable.

1. a) Per quin mecanisme es reparteix la calor des del terra a la resta de l'habitació?
2. b) Per què resulta més confortable escalfar des del terra que amb un radiador petit molt calent en un racó?

Quan fa molta calor suem i, en evaporar-se la suor, notem alleujament.

1. a) Quin canvi d'estat experimenta la suor?
2. b) Aquest canvi necessita energia: d'on la pren?
3. c) Utilitza l'anterior per explicar per què un ventilador ens refresca encara que no refredi l'aire.

Poses dos glaçons de gel en un got de refresc que està a temperatura ambient.

1. a) Quin canvi d'estat experimenten els glaçons?
2. b) D'on treuen l'energia necessària per a aquest canvi?
3. c) Explica, amb les respostes anteriors, per què es refreda la beguda.

El líquid d'un termòmetre es dilata molt poc i, tanmateix, la columna puja molt pel tub. Sabent que el tub és un capil·lar molt fi, explica com s'aconsegueix que una petita dilatació del volum es converteixi en una pujada gran i fàcil de llegir.

A les vies modernes de l'AVE els carrils van soldats formant trams continus de quilòmetres, sense juntes, malgrat la dilatació.

1. a) Quin problema resolien les juntes clàssiques entre carrils?
2. b) Per què creus que un tren d'alta velocitat prefereix carrils continus?
3. c) Raona com es pot fixar el carril a les travesses perquè aguanti la dilatació: en instal·lar-lo, convé deixar-lo més tens a l'estiu o a l'hivern? Justifica-ho.

Una làmina bimetàl·lica està formada per dos metalls diferents units entre si; en escalfar-la, un es dilata més que l'altre i la làmina es corba.

1. a) Cap a quin costat es corba: cap al metall que més es dilata o cap al que menys? Justifica-ho.
2. b) Els termòstats de les planxes i de la calefacció utilitzen aquest efecte per connectar i desconnectar l'aparell. Explica com funciona la idea.

Oblides al congelador una ampolla de vidre completament plena d'aigua i ben tancada i, l'endemà, està trencada.

1. a) L'aigua és una substància anòmala: en congelar-se es dilata en lloc de contraure's. Explica, amb aquesta dada, per què es va trencar l'ampolla.
2. b) Prediu què passaria si l'ampolla fos de plàstic tou i no estigués plena del tot. Raona la resposta.

Una cremada amb vapor d'aigua a $100\ ^\circ\text{C}$ és més greu que una cremada amb aigua bullint a $100\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Quin canvi d'estat experimenta el vapor en tocar la pell?
2. b) Tenint en compte que aquest canvi d'estat desprèn energia, explica per què el vapor crema més encara que estigui a la mateixa temperatura que l'aigua bullint.

Un iglú està fet de blocs de neu compactada, plena de petites bosses d'aire, i al seu interior la temperatura es manté prop de $0\ ^\circ\text{C}$ encara que a fora faci $-20\ ^\circ\text{C}$, com es mostra a la figura.

1. a) Per què la neu compactada és un bon aïllant malgrat estar freda?
2. b) Quins mecanismes de pèrdua de calor redueix la forma tancada de l'iglú?
3. c) Si a dins la temperatura puja per sobre de $0\ ^\circ\text{C}$, no es fon l'iglú? Raona les tres respostes.

Al cim d'un pic de $3000\ \text{m}$, on la pressió atmosfèrica és bastant menor que a nivell del mar, l'aigua bull a uns $90\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Explica quina relació hi ha entre la pressió i la temperatura d'ebullició de l'aigua.
2. b) Per què costa més coure bé un ou a la muntanya que a la platja, encara que l'aigua estigui bullint a tots dos llocs?
3. c) Què passaria si utilitzessis una olla de pressió a la muntanya? Justifica-ho.

Un habitatge té finestres de doble vidre, persianes exteriors i cortines gruixudes.

1. a) Explica què aporta cadascun dels tres elements per frenar les pèrdues de calor a l'hivern.
2. b) A l'estiu, quina combinació de persianes i cortines utilitzaries de dia i de nit per mantenir la casa fresca? Justifica les teves decisions pensant en els tres mecanismes de transmissió de la calor.

Un globus aerostàtic puja quan un cremador escalfa l'aire del seu interior, com es mostra a la figura.

1. a) En escalfar-se, l'aire es dilata o es contrau?
2. b) Com canvia la seva densitat respecte a l'aire de fora?
3. c) Explica per què puja el globus i què ha de fer el pilot per descendir, relacionant-ho tot amb els efectes de la calor.

Repte del tema. Com a auditor energètic domèstic, dissenya un prototip d'aïllament per evitar que una beguda calenta es refredi ràpidament.

1. Condicions ambientals: Consulta al web d'AEMET la temperatura actual de la teva localitat i registra-la juntament amb la de l'interior de la teva llar, expressant totes dues en graus Celsius i en kelvin ($T(\text{K}) = T(^\circ\text{C}) + 273,15$).

2. Experiment casolà: Aboca aigua calenta en dos gots iguals: un a l'aire i un altre tapat amb paper d'alumini. Mesura la temperatura cada $3\text{ min}$ durant $15\text{ min}$, considerant la incertesa instrumental (termòmetre $\pm 1\,^\circ\text{C}$ i cronòmetre $\pm 1\text{ s}$).

3. Tractament de dades: Construeix una taula amb les teves mesures i grafica les corbes de refredament ($T$ enfront de $t$). Identifica en quines zones actuen la conducció, convecció i radiació, analitzant l'equilibri tèrmic amb l'entorn.

4. Proposta raonada: Dissenya un informe breu amb una proposta de termo casolà eficient fent servir materials reciclats quotidians.

Es valorarà:

• Conversió correcta entre escales termomètriques i expressió adequada d'incerteses ($\pm 1\,^\circ\text{C}$, $\pm 1\text{ s}$).

• Construcció rigorosa de la taula de dades i gràfica comparativa de refredament.

• Identificació i justificació física precisa de conducció, convecció i radiació.

• Coherència científica, creativitat i viabilitat en la proposta de l'aïllant casolà.