Calor (física): definición, fórmula y ejemplos

Todo el mundo está familiarizado con el concepto de tener demasiado calor o demasiado frío o sentir el calor del sol en un día cálido, pero ¿qué significa específicamente la palabra "calor"? ¿Es una propiedad de algo "caliente"? ¿Es lo mismo que la temperatura? Resulta que el calor es una cantidad mensurable que los físicos han definido con precisión.

El calor es lo que los científicos llaman la forma de energía que se transfiere entre dos materiales de diferente temperatura. Esta transferencia de energía ocurre debido a diferencias en la energía cinética de traslación promedio por molécula en los dos materiales. El calor fluye desde el material con mayor temperatura al material con menor temperatura hasta que se alcanza el equilibrio térmico. La unidad SI de calor es el julio, donde 1 julio = 1 newton × metro.

Para comprender mejor lo que sucede cuando se produce esta transferencia de energía, imagine el siguiente escenario: dos contenedores diferentes están llenos de pequeñas bolas de goma que rebotan por todas partes. En uno de los contenedores, la velocidad promedio de las bolas (y por lo tanto su energía cinética promedio) es mucho mayor que la velocidad promedio de las bolas en el segundo contenedor (aunque la velocidad de cualquier bola individual podría ser cualquier cosa en cualquier momento dado que tantas colisiones provocan una transferencia continua de energía entre los pelotas.)

Si coloca estos contenedores de modo que sus lados se toquen, luego retira las paredes que separan su contenido, ¿qué esperaría que sucediera?

Las bolas del primer recipiente comenzarán a interactuar con las bolas del segundo recipiente. A medida que ocurren más y más colisiones entre las bolas, gradualmente las velocidades promedio de las bolas de ambos contenedores se vuelven iguales. Parte de la energía de las bolas del primer recipiente se transfiere a las bolas del segundo recipiente hasta que se alcanza este nuevo equilibrio.

Esto es esencialmente lo que sucede a nivel microscópico cuando dos objetos de diferente temperatura entran en contacto entre sí. La energía del objeto a mayor temperatura se transfiere en forma de calor al objeto de menor temperatura.

La temperatura es una medida de la energía cinética de traslación promedio por molécula en una sustancia. En la analogía de las bolas en un recipiente, es una medida de la energía cinética promedio por bola en un recipiente dado. A nivel molecular, los átomos y las moléculas vibran y se mueven. No puede ver este movimiento porque ocurre a una escala tan pequeña.

Las escalas de temperatura comunes son Fahrenheit, Celsius y Kelvin, siendo Kelvin el estándar científico. La escala Fahrenheit es más común en los Estados Unidos. En esta escala, el agua se congela a 32 grados y hierve a 212 grados. En la escala Celsius, que es común en la mayoría de los otros lugares del mundo, el agua se congela a 0 grados y hierve a 100 grados.

Sin embargo, el estándar científico es la escala Kelvin. Si bien el tamaño de un incremento en la escala Kelvin es el mismo que el tamaño de un grado en la escala Celsius, su valor 0 se establece en un lugar diferente. 0 Kelvin es igual a -273.15 grados Celsius.

¿Por qué una elección tan extraña para 0? Resulta que esta es una elección mucho menos extraña que el valor cero de la escala Celsius. 0 Kelvin es la temperatura a la que se detiene todo movimiento molecular. Es la temperatura más fría absoluta teóricamente posible.

En este sentido, la escala Kelvin tiene mucho más sentido que la escala Celsius. Piense en cómo se mide la distancia, por ejemplo. Sería extraño crear una escala de distancia en la que el valor 0 fuera equivalente a la marca de 1 m. En tal escala, ¿qué significaría que algo tuviera el doble de longitud que otra cosa?

La energía interna total de una sustancia es el total de las energías cinéticas de todas sus moléculas. Depende de la temperatura de la sustancia (la energía cinética media por molécula) y la cantidad total de la sustancia (el número de moléculas).

Es posible que dos objetos tengan la misma energía interna total mientras tengan temperaturas completamente diferentes. Por ejemplo, un objeto más frío tendrá una energía cinética promedio más baja por molécula, pero si el número de moléculas es grande, entonces todavía puede terminar con la misma energía interna total de un objeto más caliente con menos moléculas.

Un resultado sorprendente de esta relación entre la energía interna total y la temperatura es el hecho de que una gran Un bloque de hielo puede terminar con más energía que una cerilla encendida, aunque la cabeza de la cerilla esté tan caliente que esté encendida ¡fuego!

Hay tres métodos principales mediante los cuales la energía térmica se transfiere de un objeto a otro. Son conducción, convección y radiación.

​Conducciónocurre cuando la energía se transfiere directamente entre dos materiales en contacto térmico entre sí. Este es el tipo de transferencia que ocurre en la analogía de la pelota de goma descrita anteriormente en este artículo. Cuando dos objetos están en contacto directo, la energía se transfiere a través de colisiones entre sus moléculas. Esta energía avanza lentamente desde el punto de contacto hasta el resto del objeto inicialmente más frío hasta que se alcanza el equilibrio térmico.

Sin embargo, no todos los objetos o sustancias conducen la energía de esta manera igualmente bien. Algunos materiales, llamados buenos conductores térmicos, pueden transferir energía térmica más fácilmente que otros materiales, llamados buenos aislantes térmicos.

Probablemente haya tenido experiencia con tales conductores y aislantes en su vida diaria. En una fría mañana de invierno, ¿cómo se compara caminar descalzo sobre un piso de baldosas con caminar descalzo sobre una alfombra? Probablemente parezca que la alfombra es de alguna manera más cálida, sin embargo, este no es el caso. Es probable que ambos pisos tengan la misma temperatura, pero la loseta es un conductor térmico mucho mejor. Debido a esto, hace que la energía térmica salga de su cuerpo mucho más rápidamente.

​Convecciónes una forma de transferencia de calor que se produce en gases o fluidos. Los gases y, en menor medida, los fluidos, experimentan cambios en su densidad con la temperatura. Por lo general, cuanto más cálidos son, menos densos son. Debido a esto, y debido a que las moléculas en gases y fluidos pueden moverse libremente, si la parte inferior se calienta, se expandirá y, por lo tanto, se elevará a la parte superior debido a su menor densidad.

Si coloca una cacerola con agua en la estufa, por ejemplo, el agua del fondo de la cacerola se calienta, se expande y sube a la parte superior a medida que el agua más fría se hunde. Luego, el agua más fría se calienta, se expande y sube y así sucesivamente, creando corrientes de convección que hacen que la energía térmica se disperse a través del sistema a través de la mezcla. de las moléculas dentro del sistema (a diferencia de las moléculas que permanecen aproximadamente en el mismo lugar mientras se mueven hacia adelante y hacia atrás, rebotando en cada otro.)

La convección es la razón por la que los calentadores funcionan mejor para calentar una casa si se colocan cerca del piso. Un calentador colocado cerca del techo calentaría el aire cerca del techo, pero ese aire se quedaría.

La tercera forma de transferencia de calor esradiación. La radiación es la transferencia de energía a través de ondas electromagnéticas. Los objetos que están calientes pueden emitir energía en forma de radiación electromagnética. Así es como la energía térmica del sol llega a la Tierra, por ejemplo. Una vez que la radiación entra en contacto con otro objeto, los átomos de ese objeto pueden ganar energía al absorberlo.

Dos materiales diferentes de la misma masa sufrirán diferentes cambios de temperatura a pesar de tener la misma energía total agregada debido a diferencias en una cantidad llamadacapacidad calorífica específica. La capacidad calorífica específica depende del material en cuestión. Por lo general, buscará el valor de la capacidad calorífica específica de un material en una tabla.

Más formalmente, la capacidad calorífica específica se define como la cantidad de energía térmica que se debe agregar por unidad de masa para elevar la temperatura en un grado Celsius. Las unidades SI para capacidad calorífica específica, generalmente denotadas porC, son J / kgK.

Piénselo así: suponga que tiene dos sustancias diferentes que pesan exactamente lo mismo y están exactamente a la misma temperatura. La primera sustancia tiene una alta capacidad calorífica específica y la segunda sustancia tiene una baja capacidad calorífica específica. Ahora suponga que agrega exactamente la misma cantidad de energía térmica a ambos. La primera sustancia, la que tiene mayor capacidad calorífica, no aumentará tanto de temperatura como la segunda sustancia.

Hay muchos factores que afectan cómo cambiará la temperatura de una sustancia cuando se le transfiera una determinada cantidad de energía térmica. Estos factores incluyen la masa del material (una masa más pequeña sufrirá un cambio de temperatura mayor para una determinada cantidad de calor añadido) y la capacidad calorífica específica.C​.

Si hay una fuente de calor que suministra energíaPAG, entonces el calor total agregado depende dePAGy tiempot. Es decir, la energía térmicaQserá igualPAG​ × ​t​.

La tasa de cambio de temperatura es otro factor interesante a considerar. ¿Los objetos cambian sus temperaturas a un ritmo constante? Resulta que la tasa de cambio depende de la diferencia de temperatura entre el objeto y su entorno. La ley de enfriamiento de Newton describe este cambio. Cuanto más cerca está un objeto de la temperatura circundante, más lentamente se acerca al equilibrio.

La fórmula que relaciona el cambio de temperatura con la masa de un objeto, la capacidad calorífica específica y la energía térmica agregada o eliminada es la siguiente:

Sin embargo, esta fórmula solo se aplica si la sustancia no está experimentando un cambio de fase. Cuando una sustancia cambia de sólido a líquido o de líquido a gas, el calor que se le agrega se pone usar causando este cambio de fase y no dará como resultado un cambio de temperatura hasta que el cambio de completo.

Una cantidad llamada calor latente de fusión, denotadoL_F, describe cuánta energía térmica por unidad de masa se requiere para cambiar una sustancia de sólido a líquido. Al igual que ocurre con la capacidad calorífica específica, su valor depende de las propiedades físicas del material en cuestión y, a menudo, se consulta en tablas. La ecuación que relaciona la energía térmicaQa la masa de un materialmetroy el calor latente de fusión es:

Lo mismo ocurre al cambiar de líquido a gas. En tal situación, una cantidad llamada calor latente de vaporización, denotadoL_v, describe cuánta energía por unidad de masa debe agregarse para provocar el cambio de fase. La ecuación resultante es idéntica excepto por el subíndice:

Energía internamies la energía cinética interna total, o energía térmica, en un material. Suponiendo un gas ideal donde cualquier energía potencial entre moléculas es insignificante, está dada por la fórmula:

dóndenortees el número de lunares,Tes la temperatura en Kelvin y la constante universal de los gasesR= 8,3145 J / molK. La energía interna se convierte en 0 J en 0 K. absoluto.

En termodinámica, la relación entre los cambios en la energía interna, el calor transferido y el trabajo realizado en o por un sistema se relacionan a través de:

Esta relación se conoce como la primera ley de la termodinámica. En esencia, es una declaración de conservación de energía.