Energía Térmica: Definición, ejemplos y tipos

Imagínese beber una taza de chocolate caliente, donde el calor de la taza y el vapor blanco arremolinado de la bebida caliente son suficientes para ofrecer consuelo en una tarde fría y lluviosa. ¿Cómo pasa el calor del cacao a la taza? ¿Por qué hace más frío después de unos minutos?

En esta lección, aprenderá más sobre la definición de energía térmica y los tipos de transferencia de energía térmica.

¿Qué es la energía térmica?

El calor es la transferencia de energía de un cuerpo de alta temperatura a otro de menor temperatura. También se describe como energía en tránsito ya que solo ocurre cuando existe una diferencia de temperatura entre dos sistemas. Pero, ¿en qué se diferencia el calor de la temperatura?

La temperatura se describe comúnmente como el calor o el frío de un objeto. Técnicamente, se define como la energía cinética promedio de las moléculas de un sistema. ¿Qué quiere decir esto? Considere una cacerola llena de agua a temperatura ambiente. Inicialmente, las moléculas de agua se mueven lentamente, pero a medida que el agua se calienta en una estufa, algunas de las moléculas de agua ganan energía cinética y se mueven más rápido. Estas moléculas que se mueven más rápido chocan con otras moléculas de agua que se mueven lentamente y transfieren parte de su energía cinética en el proceso. El proceso continúa hasta que el agua alcanza el equilibrio térmico. Esta vez, la energía cinética promedio del agua en el recipiente es ahora mayor que cuando todavía estaba a temperatura ambiente.

El proceso de transferir energía de una molécula a otra es válido para todo tipo de materia. Los sólidos están muy compactos; por tanto, sus partículas sólo vibran en sus propios lugares. Los líquidos vibran y se deslizan unos sobre otros debido a las distancias ligeramente más pequeñas entre las moléculas. Por otro lado, los gases se mueven libremente en un movimiento aleatorio principalmente debido a los espacios significativamente más grandes entre cada molécula.

Es fundamental recordar que la temperatura indica la dirección en la que se mueve la energía térmica. La energía térmica no fluye cuando la temperatura entre dos objetos o sistemas es igual. Sin embargo, el calor se mueve espontáneamente de una región de mayor temperatura a una de menor siempre que se produzca una diferencia de temperatura.

La cantidad de energía térmica transferida depende de tres factores:

(1) El cambio de temperatura

(2) La masa del sistema.

(3) La sustancia y la fase de la sustancia.

La cantidad de calor transferido es directamente proporcional a la masa del sistema. Cuanto mayor es la masa de la sustancia, mayor cantidad de calor se requiere. La proporcionalidad directa también se cumple entre la temperatura y la cantidad de calor. Cuanto mayor sea el aumento de temperatura, mayor será el calor que será necesario agregar. Por último, la cantidad de calor también depende del tipo de sustancia y de su fase. Por ejemplo, es más difícil aumentar la temperatura del agua que el alcohol etílico de la misma masa. Al mismo tiempo, convertir el agua en vapor requiere más calor que simplemente aumentar su temperatura. La relación entre estas variables se expresa mejor usando {eq}Q=mc\Delta T {/eq} donde Q es la cantidad de calor, m es la masa de la sustancia, c es la capacidad calorífica específica de la sustancia y { eq}\Delta T {/eq} es la diferencia entre las temperaturas final e inicial de la sustancia.

Esta ecuación es esencial para determinar el valor de una variable desconocida cuando todas las demás variables están presentes. También es útil para medir la cantidad de intercambio de calor entre el sistema y el entorno durante una reacción química.

Tipos de transferencia de energía térmica

Como se mencionó anteriormente, la transferencia de calor se produce siempre que exista una diferencia de temperatura. Calentar aceras, hervir agua y sentir el calor del sol son manifestaciones de transferencia de energía. Hay tres tipos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación.

Conducción

La conducción es la transferencia de calor que requiere contacto directo. Por ejemplo, consideremos una larga varilla de metal que se calienta en un extremo de una estufa. Observe que después de unos minutos, el otro extremo también se siente cálido al tacto. ¿Como es posible? Las partículas en un extremo de la varilla vibran más rápido a medida que se calienta y transfieren parte de su energía cinética a las partículas cercanas. Este proceso continúa hasta que toda la varilla alcanza el equilibrio térmico.

Observe también que calentar varillas de metal es más rápido que calentar una varilla de madera. Esto se debe a que los metales tienen electrones libres que se mueven aleatoriamente. Además de las partículas que vibran en sus lugares, la presencia de electrones en movimiento libre acelera la transferencia de energía cinética a lo largo de la varilla de metal. Por tanto, los metales se consideran buenos conductores. Son materiales que permiten la transferencia de calor. Curiosamente, los buenos conductores térmicos también son buenos conductores eléctricos, debido también a la presencia de electrones libres. Ejemplos de buenos conductores son el cobre, el latón, el acero y el oro.

Por otro lado, un palo de madera arde en lugar de transferir calor cuando se coloca sobre una estufa. Por tanto, inhibe el flujo de calor, por lo que se considera un buen aislante. Los aisladores suelen contener bolsas de aire en su estructura, que ralentizan la transferencia de energía por conducción. Otros ejemplos de aislantes son el caucho, el plástico y la piel.

Convección

La convección implica el movimiento de grandes masas debido a diferencias de temperatura. Es principalmente evidente en fluidos como cuerpos de agua y gases. La diferencia de temperatura conduce a la diferencia de densidades y permite que el fluido se hunda o suba.

Consideremos nuevamente como ejemplo la olla con agua que usamos anteriormente. Cuando se coloca en una estufa, el agua del fondo es la única parte que se calienta inicialmente. A medida que las moléculas de agua ganan energía cinética y se mueven más rápido, su densidad disminuye. En cierto punto, su densidad se vuelve menor que la densidad del agua que está encima. De este modo, sube y es reemplazada por el agua más fría de arriba. El hundimiento y ascenso de la masa de agua continúa hasta que todo el recipiente de agua alcanza el equilibrio térmico.

La convección es la razón por la que los radiadores son eficaces para calentar las casas. Por lo general, se coloca debajo de la ventana o en cualquier parte inferior de la casa para calentar primero el aire de abajo. Entonces el aire se vuelve menos denso y comienza a ascender. El aire frío de la habitación desciende y, a su vez, es calentado por el radiador. El proceso se repite hasta que la habitación alcance la temperatura deseada.

La convección también juega un papel crucial en el flujo de las corrientes oceánicas, lo que regula y estabiliza el clima. La cinta transportadora global se caracteriza por corrientes oceánicas profundas que circulan continuamente y que se mueven debido a la salinidad, la temperatura y la densidad del agua. Las corrientes superficiales cálidas menos densas en el ecuador se mueven hacia las regiones polares, donde regulan la temperatura fría. A su vez, la corriente oceánica más densa y fría procedente del polo se mueve hacia el ecuador y regula la temperatura cálida en las regiones cercanas.

Radiación

La radiación es la transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas. A diferencia de la conducción y la convección, no requiere ningún contacto directo ni flujo de grandes masas. Mediante radiación, el calor se puede transferir en el vacío. Por eso es posible que el calor del sol llegue al planeta, incluso si no hay un medio al que viajar la onda. También es evidente cuando se siente calor cerca de una fuente de fuego, como una chimenea o una hoguera. La mayor parte de lo que el cuerpo humano siente a partir de fuentes de fuego es radiación infrarroja.

Todos los objetos emiten y absorben radiación electromagnética. La tasa de radiación depende principalmente del color del objeto. El negro, radiador ideal y absorbente ideal, absorbe y emite radiación de forma más eficaz que los objetos blancos, también conocido como mal absorbente y mal radiador. Esto es evidente en la época de verano, donde se prefiere la ropa de colores claros a la de colores oscuros para ayudar a regular la temperatura corporal. La ropa de colores claros refleja la radiación, mientras que la de colores oscuros la absorbe, lo que se suma al calor incómodo que aporta el entorno inicialmente caluroso.

Resumen de la lección

El calor es la transferencia de energía de un cuerpo de alta temperatura a otro de menor temperatura. La transferencia de energía sólo se produce cuando hay una diferencia de temperatura. Hay tres formas mediante las cuales se produce la transferencia de calor: conducción, convección y radiación.

La conducción es la transferencia de calor que requiere el contacto directo entre los materiales. Es más eficaz en sólidos, donde las moléculas están muy compactas y, por lo tanto, es más fácil transferir energía cinética de una molécula a otra. La convección es la transferencia de calor debido al movimiento de grandes masas de fluidos provocado por la diferencia de densidades. La masa de fluido menos densa y más cálida asciende mientras que la masa de fluido más densa y fría desciende. Por último, la radiación es la transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas. No requiere un medio y la velocidad a la que transfiere energía depende en gran medida del color del cuerpo.