Trabajo y calor como transferencias de energía

Marcos tiene las manos frías y las apoya en la taza de chocolate caliente de su hermana. Al poco rato nota las manos mucho mejor.

1. a) ¿Han recibido energía las manos de Marcos por trabajo o por calor?
2. b) ¿Qué cuerpo ha cedido energía y cuál la ha ganado?

Clasifique cada situación según la energía se transfiera por trabajo (actúa una fuerza) o por calor (hay diferencia de temperatura):

1. a) Usted estira una banda elástica con los dedos.
2. b) Un sartén frío sobre la cocina eléctrica encendida.
3. c) La licuadora remueve el jugo con fuerza.
4. d) Usted calienta las manos acercándolas a una fogata.
5. e) Usted frota las manos entre sí para entrar en calor.

Complete la frase con las palabras que faltan: «Un sistema puede ganar o perder energía de dos maneras: mediante $\dots$, cuando una $\dots$ produce un desplazamiento, o mediante $\dots$, cuando existe una diferencia de $\dots$ entre dos cuerpos». Ponga después un ejemplo cotidiano de cada manera.

El trabajo que realiza una fuerza constante que empuja un cuerpo en la dirección del movimiento se calcula con $W = F \cdot d$, donde $d$ es la distancia recorrida. En el supermercado, Noa empuja el carrito con una fuerza de $20\ \text{N}$ a lo largo de $5\ \text{m}$ por el pasillo, como se muestra en la figura.

1. a) Calcule el trabajo que ha realizado.
2. b) ¿En qué se ha convertido principalmente ese trabajo si el carrito va cada vez más rápido?

En una obra hay dos grúas: la grúa A sube una viga tirando con $400\ \text{N}$ durante $3\ \text{m}$ y la grúa B sube un saco de cemento tirando con $250\ \text{N}$ durante $5\ \text{m}$.

1. a) Calcule el trabajo de cada grúa.
2. b) ¿Cuál de las dos ha transferido más energía? Comente si la grúa que tira con más fuerza es también la que más trabajo hace.

En el gimnasio, Héctor levanta una pesa de $20\ \text{kg}$, cuyo peso es de unos $200\ \text{N}$ (tome $g = 10\ \text{m/s}^2$), desde el suelo hasta $1,5\ \text{m}$ de altura.

1. a) Calcule el trabajo que realiza en cada levantamiento.
2. b) ¿Cuánto trabajo acumula en una serie de $12$ levantamientos?
3. c) ¿De dónde sale la energía que Héctor transfiere a la pesa?

En el Sistema Internacional, tanto el trabajo como el calor se miden en julios ($\text{J}$), la misma unidad que la energía. Explique con sus palabras por qué tiene sentido que las tres cosas compartan unidad.

Irene baja una cuesta larga con la bici y aprieta el freno casi todo el tiempo. Al llegar abajo toca con cuidado la pastilla del freno y nota que está caliente.

1. a) ¿La energía ha llegado a la pastilla mediante un trabajo o mediante un calor?
2. b) ¿Qué fuerza ha realizado esa transferencia de energía?

Al inflar la llanta de la bici con una bomba de mano, el tubo de la bomba se pone caliente después de unas cuantas bombeadas.

1. a) ¿Qué trabajo se realiza en cada bombeada y sobre qué?
2. b) Explique por qué se calienta el tubo aunque no haya ninguna fuente de calor cerca.

Diga si la frase es verdadera o falsa y corrija la idea: «Cuando echo un hielo al refresco, el frío del hielo pasa al refresco y por eso se enfría».

Tape la salida de una jeringa con el dedo y empuje el émbolo con una fuerza media de $40\ \text{N}$; el émbolo avanza $5\ \text{cm}$, como se muestra en la figura.

1. a) Exprese el desplazamiento en metros.
2. b) Calcule el trabajo que realiza sobre el aire atrapado con $W = F \cdot d$.
3. c) Prediga qué le ocurre a la temperatura del aire atrapado y justifíquelo.

Un carro baja una cuesta de montaña de $8\ \text{km}$ con el freno pisado casi todo el rato. En la bajada, los frenos disipan en total $400\,000\ \text{J}$ repartidos entre los cuatro discos.

1. a) ¿Cuánta energía recibe cada disco, suponiendo el reparto por igual?
2. b) Esa energía llega a los discos por trabajo o por calor, ¿y a dónde pasa después?
3. c) Explique por qué es peligroso abusar del freno en bajadas largas y por qué el «freno de motor» ayuda, usando la idea de que la energía no desaparece.