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

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

1. a) Estiras una liga con los dedos.
2. b) Un sartén frío sobre la parrilla eléctrica encendida.
3. c) La batidora revuelve el jugo con fuerza.
4. d) Calientas las manos acercándolas a una fogata.
5. e) Frotas las manos entre sí para entrar en calor.

Completa 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». Pon 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) Calcula el trabajo que ha realizado.
2. b) ¿En qué se ha convertido principalmente ese trabajo si el carrito va cada vez más deprisa?

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) Calcula el trabajo de cada grúa.
2. b) ¿Cuál de las dos ha transferido más energía? Comenta 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 $200\ \text{N}$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$), desde el suelo hasta $1.5\ \text{m}$ de altura.

1. a) Calcula 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. Explica con tus palabras por qué tiene sentido que las tres cosas compartan unidad.

Quieres aumentar la energía interna de medio litro de agua de la llave y se te ocurren dos planes: ponerla al fuego en una olla o revolverla enérgicamente con una varilla durante un buen rato.

1. a) Indica por qué vía llega la energía al agua en cada plan, trabajo o calor.
2. b) Explica qué demostró Joule con experimentos de este tipo sobre la relación entre trabajo y calor.

En un experimento clásico como el de Joule, una pesa de $4\ \text{kg}$ cae y hace girar unas paletas que remueven el agua de un recipiente, como se muestra en la figura. Toma $g = 10\ \text{m/s}^2$, de modo que la pesa tira de la cuerda con una fuerza de $40\ \text{N}$.

1. a) Si la pesa desciende $1.5\ \text{m}$, calcula el trabajo que realiza sobre las paletas en una caída.
2. b) La pesa se sube y se vuelve a soltar $25$ veces. ¿Cuánto trabajo se ha transferido al agua en total?
3. c) ¿En qué se ha convertido ese trabajo dentro del recipiente? Explica qué equivalencia entre trabajo y calor ilustra este experimento.

Irene baja una cuesta larga con la bici 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 un calor?
2. b) ¿Qué fuerza ha realizado esa transferencia de energía?

Al inflar la rueda 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) Explica por qué se calienta el tubo aunque no haya ninguna fuente de calor cerca.

Un auto que circulaba a $90\ \text{km/h}$ frena hasta detenerse. La energía que llevaba el auto, ¿desapareció? Explica a dónde fue a parar según la primera ley 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) Calcula en cuánto ha variado la energía del sistema.
2. b) Explica qué significa el signo del resultado: ¿el sistema acaba con más o con menos energía?

En un almacén, 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) Calcula el trabajo que realiza Leo sobre la caja.
2. b) Si la caja no gana velocidad, ¿a dónde va a parar ese trabajo? Justifícalo con el primer principio.

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

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

1. a) Expresa el desplazamiento en metros.
2. b) Calcula el trabajo que realizas sobre el aire atrapado con $W = F \times d$.
3. c) Predice qué le ocurre a la temperatura del aire atrapado y justifícalo.

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, el rozamiento con el suelo disipa $1000\ \text{J}$ en forma de calor, como se muestra en la figura.

1. a) ¿En cuánto ha aumentado la energía de la caja en ese tramo?
2. b) Relaciona 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? Cuantifícalo.

Un auto baja una carretera 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 se reparte por igual?
2. b) Esa energía llega a los discos por trabajo o por calor, ¿y a dónde pasa después?
3. c) Explica 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.

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

1. a) Calcula cuánta energía se pierde en forma de calor.
2. b) ¿Qué porcentaje de la energía del combustible se aprovecha como trabajo?
3. c) Indica por dónde sale el calor del auto y explica 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) Calcula cuánta energía se disipa como calor.
2. b) Clasifica cada uno de los tres destinos según sea transferencia por trabajo, por calor o almacenamiento.
3. c) Explica con tus 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) Calcula 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) Explica con el primer principio por qué el herrero oye el golpe y nota calor en la cara al mismo tiempo.

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

1. a) Calcula 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) Explica por qué el tubo de la bomba está tibio al terminar aunque no lo hayas 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) Evalúa la máquina del inventor A con el primer principio: ¿es posible? Razona la respuesta con el balance de energía.
2. b) Haz lo mismo con la máquina del inventor B.
3. c) Enuncia con tus palabras el primer principio de la termodinámica.