Es probable que esté familiarizado con los termómetros y la medición de la temperatura, la sensación de frío y calor y lo que se necesita para hervir el agua. Ahora es el momento de ampliar su comprensión intuitiva del calor y la temperatura y aprender cómo lo hacen los físicos.
En esta introducción a la física térmica, aprenderá qué son el calor y la temperatura, así como a qué fenómenos se aplica esta rama de la física.
El estudio del calor y la temperatura
La física térmica es el estudio de calor y temperatura. El calor se define como la energía que se transfiere entre dos objetos de diferentes temperaturas, pasando del objeto más caliente al más frío.
Calor es un tipo de energía térmica. La energía térmica es la energía asociada con el movimiento molecular dentro de un objeto. Dentro de cualquier objeto, las moléculas no se quedan quietas; a pesar de que no puede ver visiblemente el movimiento, todos se mueven y rebotan entre sí.
Temperatura es una medida de la energía cinética media por molécula. Es posible que esté familiarizado con medirlo en grados Fahrenheit o incluso Celsius, pero la unidad SI que prefieren los científicos es el Kelvin.
El total energía interna que tiene un objeto depende de su masa, temperatura y capacidad calorífica específica. La capacidad calorífica específica es una medida de cuánta energía calorífica se requiere para elevar la temperatura de una unidad de masa en 1 grado. Los diferentes materiales tienen diferentes capacidades caloríficas específicas, y la capacidad calorífica de cualquier material en particular generalmente se puede buscar en una tabla.
Transferencia de calor
El calor se puede transferir de un objeto a otro de tres formas principales. Estos son:
- Conducción
- Convección
- Radiación
En conducción, los dos objetos están en contacto físico y la energía térmica se mueve del objeto más caliente al objeto más frío por colisiones directas entre moléculas en los objetos.
En la convección, el calor se transfiere mediante corrientes de convección. Esto sucede cuando hierve agua en la estufa. El agua del fondo de la olla se calienta primero y, a medida que se calienta, se expande y se vuelve menos densa. Al ser menos denso, sube a la parte superior de la olla a medida que el agua más fría se hunde y luego se calienta.
En la radiación, la energía térmica se transfiere mediante radiación electromagnética. Así es como se obtiene la energía del sol. Esa energía viaja a través del vacío del espacio en forma de radiación, que luego calienta la Tierra cuando nos alcanza.
Cambios de fase
A medida que se agrega energía térmica a los materiales, estos aumentan de temperatura. En ciertos puntos, llamado transiciones de fase, el material cambia de fase. Los materiales pueden cambiar de sólido a líquido y de líquido a gas, e incluso de gas a plasma.
Las temperaturas a las que se produce un cambio de fase dependen del material en sí y de las condiciones de presión. Esto se estudia mediante un diagrama de fases.
La cantidad de energía requerida para cambiar la fase de un material depende del calor latente de ese material. El calor latente de fusión de un material es la cantidad de energía térmica necesaria para cambiar una unidad de masa de esa sustancia de sólido a líquido. El calor latente de vaporización de un material es la cantidad de energía térmica necesaria para convertirlo de líquido en gas.
Termodinámica
La física térmica finalmente conduce al estudio de la termodinámica, que es la rama de la física que estudia los sistemas térmicos cambiantes mediante el uso de la teoría cinética y la mecánica estadística.
Hay tres leyes de la termodinámica que gobiernan los procesos termodinámicos. Estos se denominan, simplemente, la primera ley de la termodinámica, la segunda ley de la termodinámica y la tercera ley de la termodinámica. Cuando aprenda por primera vez sobre estas leyes, normalmente aprenderá cómo se aplican a un gas ideal y hará uso de la ley de los gases ideales.
La termodinámica puede ayudarlo a comprender cómo funcionan las máquinas de vapor, refrigeradores, bombas de calor y otros artículos similares.