Energía térmica: definición, ecuación, tipos (con diagrama y ejemplos)

Energía térmica, también llamadaenergía térmicao simplementecalor, es un tipo deinternoenergía se dice que posee un objeto debido a la energía cinética de sus partículas constituyentes.

La energía en sí misma, si bien es bastante fácil de definir en términos matemáticos, se encuentra entre las cantidades más esquivas en física en términos de lo que fundamentalmentees. Hay muchas formas de energía, y es más fácil definir la energía en términos de los límites de su comportamiento aritmético que enmarcarla en un lenguaje preciso.

a diferencia detraslacionalorotacionalenergía cinética, que surgen del movimiento a través de una distancia lineal o en un círculo, respectivamente (y estos pueden ocurrir juntos, como con un lanzamiento Frisbee), la energía térmica proviene del movimiento de una gran cantidad de partículas diminutas, movimiento que se puede considerar como vibración alrededor de puntos fijos en espacio.

En promedio, cada partícula se encuentra en un lugar particular dentro del sistema extendido mientras deambula. frenéticamente sobre ese punto, incluso si en ningún momento es estadísticamente probable que la partícula sea encontrado allí. Esto es más bien como la posición promedio de la Tierra a lo largo del tiempo estando cerca del centro del sol, aunque esta disposición (¡afortunadamente!) Nunca ocurre.

Cada vez que dos materiales entran en contacto, incluido el aire,fricciónresultados, y parte de la energía total del sistema, que, como verá, siempre debe permanecer constante, se transforma en energía térmica.

El objeto y su entorno experimentan un aumento detemperatura, Cuál es elManifestación cuantificable de energía térmica y transferencia de calor., medido en grados Celsius (° C), grados Fahrenheit (° F) o Kelvin (K). Cuando los objetos pierden calor, caen a una temperatura más baja.

¿Qué es la energía?

La energía se presenta en diversas formas, así como en varias unidades, siendo la más común lajulio (J), llamado así por James Prescott Joule. El joule en sí tiene unidades de fuerza por distancia, o newton-metros (N⋅m). Más fundamentalmente, las unidades de energía son kg⋅m2/s2.

Un concepto estrechamente relacionado con la energía estrabaja, que tiene unidadesdeenergía pero no se consideracomoenergía por los físicos. Se puede decir que el trabajo se "realiza en" unsistemaal agregarle energía, lo que resulta en un cambio físico en el sistema (por ejemplo, mueve un pistón o hace girar una bobina magnética, es decir, hace un trabajo útil). Un sistema es cualquier configuración física con límites claramente definidos, que incluso puede ser la Tierra en su conjunto.

Además de la energía térmica (generalmente escrita Q) y la energía cinética (el tipo lineal o rotacional "normal"), otros tipos de energía incluyenenergía potencial​, ​energía mecánicayenergía eléctrica. El aspecto crítico de la energía es que, no importa cómo aparezca en cualquier sistema, siempre esconservado​.

Energía térmica: la forma de energía menos útil

Cuando hay transferencia de energía térmica al medio ambiente (es decir, se "disipa" o "se pierde"), de Por supuesto, no se está destruyendo energía de ninguna manera, ya que esto violaría la conservación de energía.

Este calor, sin embargo, no se puede recuperar y reutilizar por completo, por lo que se le llama una forma de energía menos útil. Siempre que pasa por un edificio o un respiradero en el suelo en el invierno y sale una nube interminable de vapor o aire caliente, es un claro ejemplo de energía térmica que es energía "inútil". Por otro lado, unmotor térmicocomo el de los coches de gasolina, utiliza energía térmica para producir energía mecánica.

Energía térmica y temperatura

La temperatura de un objeto o sistema es una medida de lapromedioenergía cinética de traslación por molécula de ese objeto, mientras que la energía térmica es la energía interna total del sistema. Cuando las partículas se mueven, siempre hay energía cinética. Mover el calor hacia arriba contra un gradiente de temperatura requiere trabajo, como el uso de bombas de calor.

El calor y el mundo cotidiano

La energía térmica puede aparecer aquí como una cantidad deshonesta, pero puede y se le da un uso excelente en la cocina y otros reinos. Cuando digieres los alimentos, conviertes la energía química de los enlaces en carbohidratos, proteínas y grasas en calor ("calorías" en lugar de julios en términos comunes).

Friccióngenera calor, a menudo con prisa. Si se frota las manos rápidamente, se calentarán rápidamente. Un arma automática dispara balas del cañón tan rápido que el metal se vuelve peligrosamente caliente al tacto casi de inmediato.

Energía térmica y conservación de energía: ejemplo

Considere una canica rodando dentro de un tazón. El "sistema" también incluye el medio ambiente (es decir, la Tierra en su conjunto). A medida que sube por el costado, una mayor parte de su energía total se convierte en energía potencial gravitacional; a medida que se acelera cerca del fondo, más de esa energía se transforma en energía cinética. Si esta fuera toda la historia, la canica seguiría subiendo y bajando para siempre, alcanzando las mismas alturas y velocidades con cada ciclo.

En cambio, cada vez que la canica sube por el costado, sube un poco menos alto y su velocidad en la parte inferior es un poco menor, hasta que finalmente la canica se detiene en la parte inferior. Esto se debe a que todo el tiempo que la canica estuvo rodando, más y más del "pastel" de energía total se estaba convirtiendo a una "porción" cada vez mayor de energía térmica y se disipa en el medio ambiente, ya no es utilizable por el mármol. En la parte inferior, toda la energía del sistema se ha "convertido" en energía térmica.

Ecuación de energía térmica: capacidad calorífica

Una de las ecuaciones que puede encontrar es la decapacidad calorífica​:

Q = mC \ Delta T

dóndeQes la energía térmica en julios,metroes la masa del objeto que se calienta,Ces el objetocalor especifico​ ​capacidadydelta Tes su cambio de temperatura en grados Celsius. La capacidad calorífica específica de una sustancia es lacantidad de energía requerida para elevar la temperatura de 1 gramo de esa sustancia en 1 grado Celsius​.

Por tanto, mayores capacidades caloríficas implican una mayor resistencia al cambio de temperatura para una masa dada de una sustancia, y más masa por sí misma significa una mayor capacidad calorífica. Esto tiene sentido intuitivo; si expuso 10 ml de agua a "alto" en un microondas durante un minuto, el cambio de temperatura será mucho mayor que si calentara 1,000 mL de agua comenzando a la misma temperatura durante el mismo período de tiempo.

Las leyes de la termodinámica

La termodinámica es el estudio de cómo el trabajo, el calor y la energía interna interactúan en un sistema. Es importante destacar que solo se ocupa de las observaciones a gran escala que pueden medirse; la teoría cinética de los gases aborda las interacciones a nivel vibratorio.

La primera ley de la termodinámica.establece que los cambios en la energía interna pueden explicarse por las pérdidas de calor: ΔE = Q - W, dondeΔEes el cambio en la energía interna (Δ es la letra griega "delta" y significa "diferencia" aquí),Qes la cantidad de energía térmica transferidadentroel sistema yWes el trabajo hechoporel sistema en los alrededores.

La segunda ley de la termodinámica.establece que siempre que se realiza el trabajo, la cantidad deentropíaen la atmósfera aumenta. Por lo tanto, el flujo de energía térmica hace que la entropía aumente continuamente.

  • Entropía (S) es una variable de estado, una propiedad termodinámica de un sistema que vagamente significa "desorden", y su movimiento se puede expresar como 

\ Delta S = \ frac {\ Delta Q} {T}

La tercera ley de la termodinámica.afirma que la entropíaSde un sistema se acerca a un valor constante a medida que la temperaturaTse acercacero absoluto(0 K o -273 C).

Cuando un objeto está a una temperatura más alta que un objeto cercano, esta diferencia de temperatura favorece la transferencia de energía en forma de calor al objeto más frío.

Hay tres formas básicas de provocar la transferencia de calor de un objeto a otro:Conducción(contacto directo),convección(movimiento a través de un líquido o gas) y térmicoradiación(movimiento a través del espacio).

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