Ejercicios: Delimitación del sistema y balances energéticos

Valentina calienta agua en una olla sobre la hornalla de la cocina. Si elige como sistema de estudio solamente el agua de la olla, indicá qué elementos forman parte del ambiente y nombrá dos formas en que el sistema puede intercambiar energía con ese ambiente.

Mateo dice: «el trabajo que hizo la fuerza sobre el carrito es una energía que el carrito tiene guardada». Explicá por qué esa afirmación es incorrecta, diferenciando qué es el trabajo y qué es la energía de un sistema.

Un termo cerrado con mate caliente se deja sobre la mesa. Clasificá el termo con su contenido como sistema aislado, cerrado o abierto, tomando como válida la idealización de que no pierde calor, y justificá tu respuesta en una o dos frases. Luego decí cómo lo clasificarías si el termo estuviera destapado y saliera vapor.

Sofía empuja una caja de 20 kg sobre el piso horizontal de un depósito con una fuerza horizontal constante de 50 N, a lo largo de 4 m, a velocidad constante. Tomá la caja como sistema.

1. a) Calculá el trabajo realizado por la fuerza de Sofía.
2. b) Como la velocidad no cambia, ¿cuánto varía la energía cinética de la caja? ¿Qué pasó entonces con la energía transferida por Sofía? Indicá hacia dónde fue, planteando el balance.

Santiago levanta con una soga un balde de 5 kg desde el suelo hasta una altura de 3 m, con velocidad constante. Usá $g = 10\ \text{m/s}^2$.

1. a) Planteá el balance de energía tomando como sistema solamente el balde. ¿Qué transferencia hay y cuánto vale?
2. b) Replanteá el balance tomando como sistema el balde y la Tierra. ¿Cambia el valor de la energía transferida? ¿Qué forma de energía varía ahora dentro del sistema?

Lucía deja una taza con café a $80\ ^\circ\text{C}$ en la mesa de un liceo. Al cabo de un rato el café está a $40\ ^\circ\text{C}$. Considerá el café como sistema.

1. a) ¿En qué sentido se transfirió energía por calor, y cuál es el signo del calor para el sistema?
2. b) ¿Cómo cambió la energía interna del café? Si el café perdió 12.000 J, escribí el balance con su signo.
3. c) ¿El calor es una propiedad que el café «tenía»? Justificá.

Joaquín y Florencia analizan un auto de 1.000 kg que frena desde 72 km/h hasta detenerse en una ruta horizontal. Joaquín toma como sistema solo el auto y dice que «la energía cinética se perdió». Florencia toma como sistema el auto, los frenos y el aire de alrededor, y dice que «la energía se conservó».

1. a) Calculá la energía cinética inicial del auto.
2. b) Planteá el balance de energía para cada elección de sistema.
3. c) Argumentá por qué ambas descripciones pueden ser correctas y qué diferencia hay en lo que consideran como ambiente.

Agustín baja en bicicleta por una cuesta de la rambla de Montevideo. Parte del reposo desde una altura de 10 m por encima del final de la cuesta. La masa total de Agustín y la bicicleta es de 80 kg. Al llegar abajo su rapidez es de 8 m/s. Usá $g = 10\ \text{m/s}^2$.

1. a) Tomando como sistema a Agustín, la bicicleta y la Tierra, calculá la variación de energía potencial gravitatoria y la de energía cinética.
2. b) Calculá cuánta energía se disipó y hacia dónde fue. Planteá el balance con signos.
3. c) Si ahora tomás como sistema solo a Agustín y la bicicleta, explicá qué trabajo realiza la fuerza gravitatoria y cómo cambia el planteo del balance. Justificá por qué el trabajo depende del proceso mientras que la energía cinética depende del estado.