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) ¿Recibieron energía las manos de Marcos por trabajo o por calor?
2. b) ¿Qué cuerpo cedió energía y cuál la ganó?

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 liga elástica con los dedos.
2. b) Un sartén frío sobre la estufa 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 $W = F \times d$, 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 bicicleta y aprieta el freno casi todo el rato. 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 calor?
2. b) ¿Qué fuerza ha realizado esa transferencia de energía?

Al inflar la llanta de la bicicleta con una bomba de mano, el tubo de la bomba se calienta 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.

Un carro que circulaba a $90\ \text{km/h}$ frena hasta parar. La energía que llevaba el carro, ¿ha desaparecido? Explique a dónde fue a parar según el primer principio de la termodinámica.

Un sistema recibe $500\ \text{J}$ de trabajo de su entorno y, a la vez, cede $200\ \text{J}$ en forma de calor al ambiente, como se muestra en la figura.

1. a) Calcule en cuánto ha variado la energía del sistema.
2. b) Explique qué significa el signo del resultado: ¿el sistema acaba con más o con menos energía?

En una bodega, Leo arrastra una caja pesada por el suelo con una fuerza constante de $60\ \text{N}$ a lo largo de $12\ \text{m}$, manteniendo la velocidad siempre igual, como se muestra en la figura.

1. a) Calcule el trabajo que realiza Leo sobre la caja.
2. b) Si la caja no gana velocidad, ¿a dónde va a parar ese trabajo? Justifíquelo con la primera ley de Newton.

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 $W = F \times d$.
3. c) Prediga qué le ocurre a la temperatura del aire atrapado y justifíquelo.

Un motor tira de una caja por un suelo rugoso con velocidad constante y realiza un trabajo de $1000\ \text{J}$. En ese mismo recorrido, la fricción con el suelo disipa $1000\ \text{J}$ en forma de calor, como se muestra en la figura.

1. a) ¿En cuánto aumentó la energía de la caja en ese tramo?
2. b) Relacione el resultado anterior con el hecho de que la velocidad sea constante.
3. c) Si en el mismo tramo el motor hubiera realizado $1300\ \text{J}$ de trabajo, ¿qué le habría pasado a la caja? Cuantifíquelo.

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».

Un carro baja una cuesta de montaña de $8\ \text{km}$ con el freno pisado casi todo el tiempo. 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 que el reparto es 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 motor» ayuda, usando la idea de que la energía no desaparece.

En la combustión de la gasolina de un tanque se liberan $20\,000\ \text{J}$ de energía química. De ellos, las ruedas del carro reciben $6000\ \text{J}$ de trabajo útil, como se muestra en la figura.

1. a) Calcule cuánta energía se pierde en forma de calor.
2. b) ¿Qué porcentaje de la energía del combustible se aprovecha como trabajo?
3. c) Indique por dónde sale el calor del carro y explique por qué este balance no contradice el primer principio aunque «se pierda» energía.

Durante cierto intervalo, los paneles solares de la Estación Espacial Internacional captan $100\,000\ \text{J}$ de energía solar. De ellos, $40\,000\ \text{J}$ alimentan la electrónica de a bordo y $35\,000\ \text{J}$ se almacenan en las baterías.

1. a) Calcule cuánta energía se disipa como calor.
2. b) Clasifique cada uno de los tres destinos según sea transferencia por trabajo, por calor o almacenamiento.
3. c) Explique con sus palabras qué afirma el primer principio de la termodinámica usando este balance como ejemplo.

En una fragua, el herrero golpea un trozo de hierro al rojo y cada martillazo le comunica un trabajo de $150\ \text{J}$. En total da $40$ golpes.

1. a) Calcule el trabajo total transferido al hierro.
2. b) Al terminar, la energía interna del hierro solo ha aumentado $3000\ \text{J}$. ¿Qué ha pasado con el resto de la energía?
3. c) Explique con el primer principio por qué el herrero oye el golpe y siente calor en la cara al mismo tiempo.

Al inflar una llanta con bomba de mano, en cada bombeada usted empuja el émbolo con una fuerza media de $60\ \text{N}$ a lo largo de $0.3\ \text{m}$.

1. a) Calcule el trabajo de cada bombeada y el de $50$ bombeadas seguidas.
2. b) Si del total solo $600\ \text{J}$ se quedan aumentando la energía del aire y del tubo, ¿cuánta energía se ha cedido al ambiente y en qué forma?
3. c) Explique por qué el tubo de la bomba está tibio al terminar, aunque usted no lo haya acercado a ninguna fuente de calor.

Dos inventores presentan sus máquinas. El inventor A asegura que su máquina recibe $600\ \text{J}$ de energía de un combustible y entrega $1000\ \text{J}$ de trabajo. El inventor B afirma que la suya recibe $1000\ \text{J}$ y entrega $700\ \text{J}$ de trabajo, cediendo otros $300\ \text{J}$ como calor. Los balances de cada máquina se muestran en la figura.

1. a) Evalúe la máquina del inventor A con el primer principio: ¿es posible? Razone la respuesta con el balance de energía.
2. b) Haga lo mismo con la máquina del inventor B.
3. c) Enuncie con sus palabras el primer principio de la termodinámica.