Ejercicios: Efectos del calor y aplicaciones cotidianas

Entre los rieles de la línea del tren se dejan unos pequeños espacios 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? Explícalo.

Al calentar hielo, primero se convierte en agua líquida y, si seguimos calentando, en vapor. Observa 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, indica si el agua absorbe o cede energía.

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

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

Un termo mantiene el café caliente durante horas, pero también sirve para llevar agua fría en verano. Explica 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, explica qué se consigue con esa capa en invierno.

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

1. a) ¿Qué cambio de estado ha sufrido el agua de la ropa?
2. b) ¿De dónde ha sacado 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? Razona tu respuesta.

La tapa metálica de un frasco de mermelada no hay forma de abrirla. La pones unos segundos bajo la llave del agua caliente y, al probar de nuevo, abre con facilidad. Explica qué ha ocurrido, teniendo en cuenta que el metal se dilata más que el vidrio.

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.

Explica 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 una estufa pequeña muy caliente en una esquina?

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

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

Pones dos cubitos de hielo en un vaso de bebida 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) Explica, 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, explica 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 crees que un tren de alta velocidad prefiere rieles continuos?
3. c) Razona cómo se puede fijar el riel a las durmientes para que aguante la dilatación: al instalarlo, ¿conviene dejarlo más tenso en verano o en invierno? Justifícalo.

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? Justifícalo.
2. b) Los termostatos de las planchas y de la calefacción usan este efecto para conectar y desconectar el aparato. Explica cómo funciona la idea.

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, explica 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? Razona las tres respuestas.

Una casa tiene ventanas de termopanel (doble vidrio), persianas exteriores y cortinas gruesas.

1. a) Explica 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? Justifica tus decisiones pensando en los tres mecanismos de transmisión del calor.

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

1. Condiciones ambientales: Consulta en el sitio web de la Dirección Meteorológica de Chile (DMC) la temperatura actual de tu localidad y regístrala 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: Vierte agua caliente en dos vasos iguales: uno al aire y otro tapado con papel de aluminio. Mide 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: Construye una tabla con tus medidas y grafica las curvas de enfriamiento ($T$ frente a $t$). Identifica en qué zonas actúan la conducción, convección y radiación, analizando el equilibrio térmico con el entorno.

4. Propuesta razonada: Diseña 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.