Lavoro e calore come trasferimenti di energia

Irene scende una lunga discesa in bici e preme il freno quasi tutto il tempo. Arrivata in fondo tocca con attenzione la pastiglia del freno e sente che è calda.

1. a) L'energia è arrivata alla pastiglia tramite lavoro o tramite calore?
2. b) Quale forza ha compiuto questo trasferimento di energia?

Classifica ogni situazione a seconda che l'energia si trasferisca per lavoro (agisce una forza) o per calore (c'è una differenza di temperatura):

1. a) Stiri un elastico con le dita.
2. b) Una padella fredda sul piano a induzione acceso.
3. c) Il frullatore mescola il succo con forza.
4. d) Ti scaldi le mani avvicinandole a un falò.
5. e) Ti strofini le mani l'una contro l'altra per scaldarti.

Il lavoro compiuto da una forza costante che spinge un corpo nella direzione del moto si calcola con $W = F \cdot d$, dove $d$ è la distanza percorsa. Al supermercato, Noa spinge il carrello con una forza di $20\ \text{N}$ lungo $5\ \text{m}$ di corsia, come mostrato in figura.

1. a) Calcola il lavoro che ha compiuto.
2. b) In che cosa si è trasformato principalmente quel lavoro se il carrello va sempre più veloce?

Nel Sistema Internazionale, sia il lavoro sia il calore si misurano in joule ($\text{J}$), la stessa unità dell'energia. Spiega con parole tue perché ha senso che le tre grandezze condividano l'unità.

Vuoi aumentare l'energia interna di mezzo litro d'acqua del rubinetto e ti vengono in mente due piani: metterla sul fuoco in un pentolino oppure rimestarla energicamente con un'asta per un bel po'.

1. a) Indica per quale via l'energia arriva all'acqua in ciascun piano, lavoro o calore.
2. b) Spiega che cosa dimostrò Joule con esperimenti di questo tipo sulla relazione tra lavoro e calore.

In un esperimento classico come quello di Joule, un peso di $4\ \text{kg}$ cade e fa ruotare delle pale che rimestano l'acqua di un recipiente, come mostrato in figura. Usa $g = 10\ \text{m/s}^2$, così il peso tira la corda con una forza di $40\ \text{N}$.

1. a) Se il peso scende di $1,5\ \text{m}$, calcola il lavoro che compie sulle pale in una caduta.
2. b) Il peso viene risollevato e lasciato cadere di nuovo $25$ volte. Quanto lavoro è stato trasferito all'acqua in totale?
3. c) In che cosa si è trasformato quel lavoro dentro il recipiente? Spiega quale equivalenza tra lavoro e calore illustra questo esperimento.

Un'automobile che viaggiava a $90\ \text{km/h}$ frena fino a fermarsi. L'energia che aveva l'automobile è scomparsa? Spiega dove è andata a finire secondo il primo principio della termodinamica.

In un magazzino, Leo trascina una cassa pesante sul pavimento con una forza costante di $60\ \text{N}$ per $12\ \text{m}$, mantenendo la velocità sempre uguale, come mostrato in figura.

1. a) Calcola il lavoro che Leo compie sulla cassa.
2. b) Se la cassa non aumenta la sua velocità, dove va a finire quel lavoro? Giustificalo con il primo principio.

Un motore tira una cassa su un pavimento ruvido a velocità costante e compie un lavoro di $1000\ \text{J}$. Nello stesso tratto, l'attrito con il pavimento dissipa $1000\ \text{J}$ sotto forma di calore, come mostrato in figura.

1. a) Di quanto è aumentata l'energia della cassa in quel tratto?
2. b) Collega il risultato precedente al fatto che la velocità sia costante.
3. c) Se nello stesso tratto il motore avesse compiuto $1300\ \text{J}$ di lavoro, che cosa sarebbe successo alla cassa? Quantificalo.

In un cantiere ci sono due gru: la gru A solleva una trave tirando con $400\ \text{N}$ per $3\ \text{m}$ e la gru B solleva un sacco di cemento tirando con $250\ \text{N}$ per $5\ \text{m}$.

1. a) Calcola il lavoro di ciascuna gru.
2. b) Quale delle due ha trasferito più energia? Commenta se la gru che tira con più forza è anche quella che compie più lavoro.

Nella combustione della benzina di un serbatoio vengono liberati $20\,000\ \text{J}$ di energia chimica. Di questi, le ruote dell'automobile ricevono $6000\ \text{J}$ di lavoro utile, come mostrato in figura.

1. a) Calcola quanta energia si perde sotto forma di calore.
2. b) Quale percentuale dell'energia del combustibile viene sfruttata come lavoro?
3. c) Indica da dove esce il calore dell'automobile e spiega perché questo bilancio non contraddice il primo principio anche se dell'energia «si perde».

Durante un certo intervallo, i pannelli solari della Stazione Spaziale Internazionale captano $100\,000\ \text{J}$ di energia solare. Di questi, $40\,000\ \text{J}$ alimentano l'elettronica di bordo e $35\,000\ \text{J}$ vengono immagazzinati nelle batterie.

1. a) Calcola quanta energia viene dissipata come calore.
2. b) Classifica ciascuna delle tre destinazioni a seconda che sia trasferimento per lavoro, per calore o immagazzinamento.
3. c) Spiega con parole tue che cosa afferma il primo principio della termodinamica usando questo bilancio come esempio.

In palestra, Ettore solleva un manubrio di $20\ \text{kg}$, il cui peso è di circa $200\ \text{N}$ (usa $g = 10\ \text{m/s}^2$), dal pavimento fino a $1,5\ \text{m}$ di altezza.

1. a) Calcola il lavoro che compie a ogni sollevamento.
2. b) Quanto lavoro accumula in una serie di $12$ sollevamenti?
3. c) Da dove viene l'energia che Ettore trasferisce al manubrio?

In una fucina, il fabbro batte un pezzo di ferro rovente e ogni martellata gli comunica un lavoro di $150\ \text{J}$. In totale dà $40$ colpi.

1. a) Calcola il lavoro totale trasferito al ferro.
2. b) Alla fine, l'energia interna del ferro è aumentata solo di $3000\ \text{J}$. Che cosa è successo al resto dell'energia?
3. c) Spiega con il primo principio perché il fabbro sente il colpo e avverte calore sul viso allo stesso tempo.

Due inventori presentano le loro macchine. L'inventore A assicura che la sua macchina riceve $600\ \text{J}$ di energia da un combustibile e fornisce $1000\ \text{J}$ di lavoro. L'inventore B afferma che la sua riceve $1000\ \text{J}$ e fornisce $700\ \text{J}$ di lavoro, cedendo altri $300\ \text{J}$ come calore. I bilanci di ciascuna macchina sono mostrati in figura.

1. a) Valuta la macchina dell'inventore A con il primo principio: è possibile? Motiva la risposta con il bilancio energetico.
2. b) Fai lo stesso con la macchina dell'inventore B.
3. c) Enuncia con parole tue il primo principio della termodinamica.