DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA FÍSICA Y QUÍMICA 4º DE ESO

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1 DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA FÍSICA Y QUÍMICA 4º DE ESO TEMA 11. ENERGÍA. TRABAJO Y CALOR ACTIVIDAD 1 Contesta las siguientes cuestiones: a) Qué tipos de energía conoces? b) Tiene energía una pelota rodando? c) Un jarrón en una estantería? d) Una goma elástica o un muelle? e) Un pedazo de carbón? f) El tirador de la puerta de un coche a 120 ºC? g) Un bolígrafo frotado en la manga del jersey? h) Un mineral de uranio? ACTIVIDAD 2 No debemos confundir los tipos de energía, como la energía cinética o la potencial, con las fuentes de energía, es decir, con los recursos naturales de los que los seres humanos podemos obtener energía utilizable en nuestras actividades. Clasifica las siguientes fuentes de energía como renovable o no renovable: a) carbón b) radiación solar c) petróleo d) el viento e) gas natural f) las mareas g) combustible nuclear h) la biomasa i) agua embalsada j) el calor interno de la tierra. ACTIVIDAD 3 1.-Indica si tienen energía, y si la tienen de qué tipo es, cada uno de los sistemas siguientes: a) Un coche en movimiento. b) Un bloque de ladrillos suspendido en una grúa. c) La lluvia. d) Un litro de gasolina. Rta. Tiene U(Eq). Cuando combustiona, Eq transf.. E T. 2.-Observa los dibujos y describe los cambios que suceden en los sistemas y haz una descripción energética: a) b) 1

2 ACTIVIDAD 4 1.-Una persona empuja el carro de la compra con una fuerza constante de 450 N en línea recta a lo largo de 25 m, calcula el trabajo realizado (o lo que es igual: la energía transferida). [Sol: J. Recuerda: W. realizado = energía transferida 2.-a) Calcula la fuerza que frena a un coche de 2500 de masa que circula a 25 m/s cuando el conductor pisa el freno y el coche recorre una distancia de 20 metros hasta detenerse. b) Calcula el trabajo realizado por la fuerza de rozamiento. c) En qué se ha transformado la energía cinética que llevaba el coche? [Sol: a) a = 15,6 m/s 2 ; F roz = N; b) W = J; c) En E T ; las ruedas, el asfalto tendrán más E T ] 3.-Calcula el trabajo que realizas cuando subes un saco de 10 kg hasta una altura de 12 m (o lo que es igual: la energía que transfieres de ti al saco). [Sol: 1176 J] ACTIVIDAD 5 1.-Explica qué ocurre con la energía de un cuerpo en los siguientes casos: a) el cuerpo no realiza trabajo; b) el cuerpo realiza trabajo; c) sobre él se realiza trabajo. 2.-Reflexiona y justifica: a) Crees que has realizado trabajo para levantar la mochila desde el suelo hasta la altura en que la sostienes? b) Ha aumentado la energía de la mochila? c) Ha habido transferencia de energía? d) Se ha conservado la energía? 3.-Un niño desplaza por el suelo un coche de juguete ejerciendo sobre él una fuerza de 34 N a lo largo de 3 5 m. Calcula el trabajo que realiza. [Sol: 119 J] 4.-Unos niños arrastran 5 m por el suelo una rueda vieja de tractor. Tiran con una fuerza total de 340 N. Calcula la energía transferida. [Sol: 1700 J] 5.-Un hombre arrastra un saco de cemento con una fuerza constante de 200 N a lo largo de 3 m. Si la fuerza de rozamiento es de 150 N, calcula: a) El trabajo que realiza el hombre; b) el trabajo realizado por la fuerza de rozamiento; c) el trabajo total o resultante sobre el saco de cemento. [Sol: a) 600 J; b) 450 J; c) 150 J] 6.-Cuando sobre un cuerpo actúan más de dos fuerzas, el trabajo total o resultante sobre ese cuerpo se puede calcular de dos manera distintas. Resuelve el siguiente problema: Calcula trabajo resultante sobre un cajón que es arrastrado a lo largo de 5 m por una fuerza de 10 N, sabiendo que hay un rozamiento de 2 N. a) Primera manera: Calcula el trabajo de cada fuerza y luego suma. b) Segunda manera: Calcula el trabajo de la fuerza resultante. [Sol: 40 J] 7.-Un padre sube a su hijo pequeño a un pony sujetándolo por la cintura por la cintura. a) Representa mediante vectores el peso del niño y la fuerza aplicada por el padre para levantarlo. b) Calcula el trabajo que es preciso realizar si el niño tiene una masa de 25 kg y debe elevarse 84 cm. [Sol: 205,8 J] En el libro, en la página 235, aparece un trineo tirado por perros. Sobre el trineo actúan 4 fuerzas, dos de ellas, el peso (P) y la normal (N), son perpendiculares al desplazamiento y, por tanto, no realizan trabajo. Las otras dos son el rozamiento (F roz = 15 N) y la fuerza ejercido por los perros (F = 120 N). El trabajo de la primera es W roz = 90 J (disipativo) y el de la segunda es W F = 720 J. El trabajo total será: W = W P + W N + W roz + W F = ( 90) = 630 J ACTIVIDAD 6 1.-Un carruaje tiene una masa de 190 kg, incluida la carga. Dos caballos tiran de él con una velocidad de 10 km/h. a) Calcula la energía cinética del carruaje. Si los caballos aumentan la velocidad del carruaje a 15 km/h, b) Qué energía cinética adquiere el carruaje? c) Cuánto ha aumentado la energía cinética? d) Cuanta energía han transferido los caballos al carruaje? d) Qué trabajo han realizado los caballos? 2.-Una grúa eleva verticalmente una carga de 1000 kg desde el suelo hasta una altura de 20 m. Calcula: a) la energía potencial que adquiere esta carga. c) El trabajo que tiene que realizar la grúa para elevar la carga desde 20 m hasta 50 m de altura. 2

3 3.-Calcula la energía cinética que adquiere una pelota de 250 g cuando se mueve a: a) 60 km/h; b) 150 km/h [Sol: 34,7 J; 217,0 J] La energía cinética es la que posee un cuerpo por el hecho de estar en movimiento 4.-Un camión de 35 t circula a 75 km/h. Qué trabajo debe realizar el motor para que aumente su velocidad a 100 km/h? [Sol: 5, J] 5.-Un montacargas eleva a una persona de 65 kg siete pisos más arriba. Si cada piso mide 3,5 m de altura, qué energía gana la persona? [1, J] La energía potencial es la que posee un cuerpo debido a la posición que ocupa respecto a la superficie de la Tierra 6.-Determina el trabajo necesario para elevar un jarrón de 3,6 kg desde una altura de 85 cm hasta 1,8 m. [Sol: 33,5 J] 7.-Calcula la energía cinética, la energía potencial y la energía mecánica de un pájaro de masa 500 g que vuela con una velocidad de 70,2 km/h a 25 m de altura. [Sol: 95,1 J; 122,5 J; 217,6 J] 8.- Cuál es la variación de energía cinética ( E) de una motocicleta 500 kg de masa que circula a 100 km/h y frena hasta detenerse? Cuánto vale el trabajo realizado por la fuerza de frenado? [Sol: ,2 J; ,2 J] ACTIVIDAD Qué energía tiene un arco tenso, potencial o cinética? 2.- Qué condición debe cumplirse para que se conserve la energía mecánica de un cuerpo? 3.-Mantienes sujeto un cuerpo de cierta masa a una altura determinada y luego lo dejas caer libremente. a) Qué energía tiene mientras lo tienes sujeto? b) Qué ocurre con la energía cinética durante la caída? c) Con qué energía llega al suelo? 4.-Se deja caer una pelota de tenis de 90 g desde 20 m de altura. Determina: a) Las energías cinética y potencial cuando está a 10 m del suelo; b) la velocidad con que llega al suelo [Sol: a) 8,82 J, 8,82 J; b) 19,8 m/s] 5.-Se lanza un plato de 120 g verticalmente hacia arriba con una velocidad de 24 m/s. Calcula: a) La energía cinética inicial; b) la altura máxima que alcanza; c) la energía potencial a dicha altura. 6.-Se deja caer una piedra de 1 kg desde 50 m de altura, Calcula: a) La energía potencial en el punto inicial. b) La energía cinética y la potencial cuando está a 20 m de altura. c) La energía cinética cuando llega al suelo. [Sol: a) 490 J; b) 294 J, 196 J; c) 490 J] 7.-Dejamos caer un lápiz desde una altura de 12 m. Determina la velocidad del lápiz cuando: a) llega al suelo; b) está a 5 m del suelo. [Sol: a) 15,3 m/s; b) 11,7 m/s] 8.-Una grúa eleva un vehículo cargado cuya masa es de 800 k, hasta una altura de 40 m. En este punto se rompe la cuerda que sujeta al vehículo y éste cae. Halla: a) la velocidad con el vehículo llega al suelo. b) Las energías cinética y potencial en el punto inicial. c) Las energías potencial y cinética en el punto final. [Sol: a) 28 m/s; b) J, 0 J; c) 0 J, J] 3

4 Una bola de 1 kg de masa se deja caer desde una altura de 20 m. La energía mecánica inicial (que al comienzo es sólo energía potencial) es de 196 J. Si no hay rozamiento, la energía mecánica debe conservarse a lo largo del recorrido, y en todos los puntos, A, B, C y D, debe valer 196 J. Observa el gráfico de barras de la derecha para ver las variaciones de la Ec y la Ep, cuya suma ha de ser siempre 196 J. Te das cuenta de que en las posiciones 1 y C, al estar a la misma altura, la Ep es la misma? La bola, entonces, pasará por esos puntos con la misma Ec, y por tanto, la misma velocidad (v = 9 9 m/s, compruébalo). Lo mismo sucede en las posiciones 2 y B (v = 14 m/s, compruébalo) ACTIVIDAD 8 1.-Calcula la potencia mínima que debe tener un ascensor para elevar una carga de 300 kg hasta una altura de 28 m en un tiempo de 24 s. Expresa el resultado en vatios y en CV [Sol: W = 4 66 CV] 2.-El kwh (kilovatio-hora) es una unidad de energía, no de potencia. A cuántos Julios equivale? [Sol: J] 3.-Un estudiante olvida apagar la luz de un cuarto que tiene una bombilla de 60 W. Finalmente, la bombilla se funde. a) Cuánto tiempo ha estado encendida si ha consumido 2 kwh de energía? b) Si el kwh cuesta 0 12, cuánto dinero ha gastado? [Sol: a) s = 2000 min = 33,33 h; b) 0 24 ] 4.-Si una máquina hace un trabajo de 100 J en 1 s y otra, un trabajo de 200 J en 3 s, cuál te parece más eficaz? Por qué? 5.-Una plancha realiza un trabajo de J en 30 min. Qué potencia desarrolla? Exprésala en vatios y en caballos de vapor. [Sol: 1350 W; 1,84 CV] 6.-Un cepillo de dientes eléctrico de potencia igual a 110 W funciona durante 5 min. Calcula qué trabajo realiza. [Sol: 3, J] 7.-Un caballo tira de un remolque con una fuerza 980 N a lo largo de 13 km en un tiempo de 24 min. Un asno tira de un carro de paja con una fuerza de 450 N a lo largo de 63 km en un tiempo de 4 h y 12 min. a) Cuál de los dos realiza mayor trabajo? b) Cuál desarrolla mayor potencia? [Sol: a) El asno: J frente a J; b) El caballo: W frente a W] 8.-Utiliza la expresión de la potencia para completar la siguiente tabla: Trabajo realizado (J) Tiempo invertido (s) 10 5 Potencia desarrollada (W) ACTIVIDAD 9 1.-Los puntos de fusión y de ebullición del etanol a la presión atmosférica son 117 ºC y 78 5 ºC, respectivamente. Expresa estas temperaturas en la escala Kelvin. [Sol: 156 K y 351 K] 4

5 2.-Los puntos de fusión y de ebullición del mercurio a la presión atmosférica son 234 K y 630 K, respectivamente, Expresa estas temperaturas en ºC. [Sol: 39 ºC y 357 ºC] ACTIVIDAD Calcula la energía que deben absorber dos litros de agua a 20 ºC para elevar su temperatura hasta 55 ºC. expresa el resultado en Julios y en calorías. Dato: c e (H 2 O) = 4180 J/kg ºC [Sol: J; cal] Sustancia Calor específico J/kg ºC Agua 4180 Alcohol 2450 Hielo 2100 Cobre 390 Aluminio 900 Vapor de agua 1920 Hierro 447 Plomo 128 Oxígeno Se necesitan 390 J para elevar 1 ºC la temperatura de 1 kg de cierta sustancia. Determina su calor específico. De qué sustancia se trata? 3.-a) Qué energía se necesita para elevar 20 ºC la temperatura de 100 g de aluminio? b) Y para elevar también 20 ºC 100 g de plomo? Expresa el resultado en Julios y en calorías. [Sol: 1800 J = cal; b) 256 J = 61 2 cal] 4.- Qué energía se necesita para elevar 20 ºC la temperatura de 200 g de cobre? [Sol: 1560 J] 5.-En un vaso que contiene 250 g de agua a 18 ºC se introduce un calentador eléctrico durante unos minutos para elevar la temperatura. Si se sabe que durante ese tiempo el calentador ha aportado 5000 J de calor, a) Cuál será el incremento de temperatura del agua? b) Qué temperatura tendrá finalmente el agua? [Sol: a) T = 4 8 ºC; T f = 22 8 ºC] 6.- Cuánto se eleva la temperatura de 1 kg de cobre si se le comunica una energía de 390 J? [Sol: 1 ºC] 7.- Cuántas calorías se necesitan para elevar 15 ºC la temperatura de 100 g de hierro? [Sol: cal; (670 5 J) ACTIVIDAD Si se mezclan 2 5 L de agua a 20 ºC con 1 5 L de agua a 100 ºC, cuál será la temperatura de la mezcla cuando se alcance el equilibrio térmico? [Sol: 50 ºC] 2.-En un calorímetro se añaden 2 L de agua, que está a 20 ºC, 200 g de un metal que se halla a 250 ºC. Si la temperatura de equilibrio es de 25 ºC, cuál será el calor específico del metal? [Sol: 929 J/kgºC] 3.-Se introducen 500 g de una sustancia, que se halla inicialmente a 70 ºC, en un calorímetro que contiene 2 kg de agua a una temperatura de 15 ºC. Alcanzado el equilibrio, el termómetro marca 20 ºC. Cuál es el calor específico de la sustancia? [Sol: 1672 J/kg ºC] 4.-Si se mezclan 2 5 L de agua a 80 ºC con 3 L de agua a 20 ºC, cuál será la temperatura de la mezcla cuando alcance el equilibrio térmico? [Sol: 47 3 ºC] 5.-Si se mezclan 5 L de agua a 20 ºC con 3 L de agua 100 ºC, cuál será la temperatura de la mezcla cuando se alcance el equilibrio térmico? [Sol: 50 ºC] 6.-Un trozo de hierro de 50 g a 80 ºC se introduce en un termo que contiene 100 g de agua a 20 ºC: a) Qué ocurrirá? b) Cuál será temperatura final? [a) El hierro transfiere energía en forma de calor al agua; b) ºC] Sustancia Calor latente (J/kg) Fusión Vaporización Agua Alcohol Aluminio Cobre Para los cambios de estado 5