Trabajo y calor como transferencias de energía

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?

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

1. a) Estiras una goma elástica con los dedos.
2. b) Una sartén fría sobre la vitrocerámica encendida.
3. c) La batidora remueve el zumo con fuerza.
4. d) Calientas las manos acercándolas a una fogata.
5. e) Frotas las manos entre sí para entrar en calor.

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.

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.

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

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.

En la combustión de la gasolina de un depósito se liberan $20\,000\ \text{J}$ de energía química. De ellos, las ruedas del coche 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 coche 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.