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?

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.

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 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.

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.

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 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.

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 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.

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.