Exercicis: Treball i calor com a transferències d'energia

La Irene baixa una costa llarga amb la bici i prem el fre gairebé tota l'estona. En arribar a baix toca amb compte la pastilla de fre i nota que està calenta.

1. a) L'energia ha arribat a la pastilla mitjançant un treball o mitjançant una calor?
2. b) Quina força ha realitzat aquesta transferència d'energia?

En Marc té les mans fredes i les recolza a la tassa de xocolata calenta de la seva germana. Al cap de poca estona nota les mans molt millor.

1. a) Han rebut energia les mans d'en Marc per treball o per calor?
2. b) Quin cos ha cedit energia i quin l'ha guanyada?

Classifica cada situació segons l'energia es transfereixi per treball (actua una força) o per calor (hi ha diferència de temperatura):

1. a) Estires una goma elàstica amb els dits.
2. b) Una paella freda sobre la vitroceràmica encesa.
3. c) La batedora remou el suc amb força.
4. d) T'escalfes les mans acostant-les a una foguera.
5. e) Et fregues les mans entre si per entrar en calor.

Completa la frase amb les paraules que falten: «Un sistema pot guanyar o perdre energia de dues maneres: mitjançant $\dots$, quan una $\dots$ produeix un desplaçament, o mitjançant $\dots$, quan hi ha una diferència de $\dots$ entre dos cossos». Posa després un exemple quotidià de cada manera.

En el Sistema Internacional, tant el treball com la calor es mesuren en joules ($\text{J}$), la mateixa unitat que l'energia. Explica amb les teves paraules per què té sentit que les tres coses comparteixin unitat.

En inflar la roda de la bici amb una bomba de mà, el tub de la bomba s'escalfa després d'haver bombat unes quantes vegades.

1. a) Quin treball es realitza en cada bombada i sobre què?
2. b) Explica per què s'escalfa el tub encara que no hi hagi cap font de calor a prop.

Un cotxe que circulava a $90\ \text{km/h}$ frena fins a aturar-se. L'energia que portava el cotxe, ha desaparegut? Explica on ha anat a parar segons el primer principi de la termodinàmica.

Digues si la frase és vertadera o falsa i corregeix la idea: «Quan tiro un glaçó al refresc, el fred del glaçó passa al refresc i per això es refreda».

El treball que realitza una força constant que empeny un cos en la direcció del moviment es calcula amb $W = F \cdot d$, on $d$ és la distància recorreguda. Al supermercat, la Noa empeny el carret amb una força de $20\ \text{N}$ al llarg de $5\ \text{m}$ pel passadís, com es mostra a la figura.

1. a) Calcula el treball que ha realitzat.
2. b) En què s'ha convertit principalment aquest treball si el carret va cada vegada més de pressa?

Un muntacàrregues d'obra puja una caixa d'eines estirant el cable amb una força de $250\ \text{N}$ durant $6\ \text{m}$ d'ascens, com es mostra a la figura.

1. a) Calcula el treball realitzat pel muntacàrregues amb $W = F \cdot d$.
2. b) Què li ha passat a l'energia de la caixa en guanyar aquest treball?

Vols augmentar l'energia interna de mig litre d'aigua de l'aixeta i se t'acudeixen dos plans: posar-la al foc en un cassó o remoure-la enèrgicament amb una vareta durant una bona estona.

1. a) Indica per quina via arriba l'energia a l'aigua en cada pla, treball o calor.
2. b) Explica què va demostrar Joule amb experiments d'aquest tipus sobre la relació entre treball i calor.

Un sistema rep $500\ \text{J}$ de treball del seu entorn i, alhora, cedeix $200\ \text{J}$ en forma de calor a l'ambient, com es mostra a la figura.

1. a) Calcula en quant ha variat l'energia del sistema.
2. b) Explica què significa el signe del resultat: el sistema acaba amb més o amb menys energia?

En un magatzem, en Leo arrossega una caixa pesant pel terra amb una força constant de $60\ \text{N}$ al llarg de $12\ \text{m}$, mantenint la velocitat sempre igual, com es mostra a la figura.

1. a) Calcula el treball que realitza en Leo sobre la caixa.
2. b) Si la caixa no guanya velocitat, on va a parar aquest treball? Justifica-ho amb el primer principi.

En una obra hi ha dues grues: la grua A puja una biga estirant amb $400\ \text{N}$ durant $3\ \text{m}$ i la grua B puja un sac de ciment estirant amb $250\ \text{N}$ durant $5\ \text{m}$.

1. a) Calcula el treball de cada grua.
2. b) Quina de les dues ha transferit més energia? Comenta si la grua que estira amb més força és també la que fa més treball.

Al gimnàs, l'Hèctor aixeca un pes de $20\ \text{kg}$, que té un pes d'uns $200\ \text{N}$ (pren $g = 10\ \text{m/s}^2$), des de terra fins a $1,5\ \text{m}$ d'alçada.

1. a) Calcula el treball que realitza en cada aixecament.
2. b) Quant de treball acumula en una sèrie de $12$ aixecaments?
3. c) D'on surt l'energia que l'Hèctor transfereix al pes?

Tapa la sortida d'una xeringa amb el dit i empeny l'èmbol amb una força mitjana de $40\ \text{N}$; l'èmbol avança $5\ \text{cm}$, com es mostra a la figura.

1. a) Expressa el desplaçament en metres.
2. b) Calcula el treball que realitzes sobre l'aire atrapat amb $W = F \cdot d$.
3. c) Prediu què li passa a la temperatura de l'aire atrapat i justifica-ho.

Un cotxe baixa un port de muntanya de $8\ \text{km}$ amb el fre trepitjat gairebé tota l'estona. En la baixada, els frens dissipen en total $400\,000\ \text{J}$ repartits entre els quatre discs.

1. a) Quanta energia rep cada disc, suposant el repartiment a parts iguals?
2. b) Aquesta energia arriba als discs per treball o per calor, i cap a on passa després?
3. c) Explica per què és perillós abusar del fre en baixades llargues i per què el «fre de motor» ajuda, utilitzant la idea que l'energia no desapareix.

Un motor estira una caixa per un terra rugós amb velocitat constant i realitza un treball de $1000\ \text{J}$. En aquest mateix recorregut, el fregament amb el terra dissipa $1000\ \text{J}$ en forma de calor, com es mostra a la figura.

1. a) En quant ha augmentat l'energia de la caixa en aquest tram?
2. b) Relaciona el resultat anterior amb el fet que la velocitat sigui constant.
3. c) Si en el mateix tram el motor hagués realitzat $1300\ \text{J}$ de treball, què li hauria passat a la caixa? Quantifica-ho.

En un experiment clàssic com el de Joule, un pes de $4\ \text{kg}$ cau i fa girar unes paletes que remouen l'aigua d'un recipient, com es mostra a la figura. Pren $g = 10\ \text{m/s}^2$, de manera que el pes estira la corda amb una força de $40\ \text{N}$.

1. a) Si el pes descendeix $1,5\ \text{m}$, calcula el treball que realitza sobre les paletes en una caiguda.
2. b) El pes es puja i es torna a deixar anar $25$ vegades. Quant de treball s'ha transferit a l'aigua en total?
3. c) En què s'ha convertit aquest treball dins del recipient? Explica quina equivalència entre treball i calor il·lustra aquest experiment.

En la combustió de la gasolina d'un dipòsit s'alliberen $20\,000\ \text{J}$ d'energia química. D'aquests, les rodes del cotxe reben $6000\ \text{J}$ de treball útil, com es mostra a la figura.

1. a) Calcula quanta energia es perd en forma de calor.
2. b) Quin percentatge de l'energia del combustible s'aprofita com a treball?
3. c) Indica per on surt la calor del cotxe i explica per què aquest balanç no contradiu el primer principi encara que «es perdi» energia.

En una farga, el ferrer colpeja un tros de ferro roent i cada cop de martell li comunica un treball de $150\ \text{J}$. En total dona $40$ cops.

1. a) Calcula el treball total transferit al ferro.
2. b) En acabar, l'energia interna del ferro només ha augmentat $3000\ \text{J}$. Què ha passat amb la resta de l'energia?
3. c) Explica amb el primer principi per què el ferrer sent el cop i nota calor a la cara al mateix temps.

Durant un cert interval, els panells solars de l'Estació Espacial Internacional capten $100\,000\ \text{J}$ d'energia solar. D'aquests, $40\,000\ \text{J}$ alimenten l'electrònica de bord i $35\,000\ \text{J}$ s'emmagatzemen a les bateries.

1. a) Calcula quanta energia es dissipa com a calor.
2. b) Classifica cadascuna de les tres destinacions segons si és transferència per treball, per calor o emmagatzematge.
3. c) Explica amb les teves paraules què afirma el primer principi de la termodinàmica fent servir aquest balanç com a exemple.

En inflar una roda amb una bomba de mà, a cada bombada empenys l'èmbol amb una força mitjana de $60\ \text{N}$ al llarg de $0,3\ \text{m}$.

1. a) Calcula el treball de cada bombada i el de $50$ bombades seguides.
2. b) Si del total només $600\ \text{J}$ es queden augmentant l'energia de l'aire i del tub, quanta energia s'ha cedit a l'ambient i en quina forma?
3. c) Explica per què el tub de la bomba està tebi en acabar encara que no l'hagis acostat a cap font de calor.

Dos inventors presenten les seves màquines. L'inventor A assegura que la seva màquina rep $600\ \text{J}$ d'energia d'un combustible i lliura $1000\ \text{J}$ de treball. L'inventor B afirma que la seva rep $1000\ \text{J}$ i lliura $700\ \text{J}$ de treball, i en cedeix $300\ \text{J}$ més com a calor. Els balanços de cada màquina es mostren a la figura.

1. a) Avalua la màquina de l'inventor A amb el primer principi: és possible? Raona la resposta amb el balanç d'energia.
2. b) Fes el mateix amb la màquina de l'inventor B.
3. c) Enuncia amb les teves paraules el primer principi de la termodinàmica.