Introducción a la física térmica

¿Qué es la física térmica?

En pocas palabras, la física térmica es el estudio del calor. La energía térmica , o energía térmica , es la energía de una sustancia o sistema en términos del movimiento o vibraciones de sus moléculas. Cuanto más rápido se mueven las moléculas de una sustancia, más energía térmica tienen.

Si quisiera saber cuánta energía térmica hay en un vaso de agua, tendría que sumar la energía de todas las moléculas que contiene. Esto no solo es difícil de hacer, sino que no es del todo útil. Un vaso grande de agua fría tiene más energía térmica que un vaso pequeño de agua fría, pero se sienten igual de fríos. Debido a esto, introducimos un término relacionado: temperatura , que es la energía cinética promedio de las moléculas en una sustancia. Un vaso de agua grande y uno pequeño pueden tener la misma temperatura, aunque el vaso de agua grande contiene más energía térmica en general.

El calor también se puede transferir, por lo que la física térmica también habla de esto. Toca la pata de una silla de metal y se siente más frío que un escritorio de madera. Pero si están en la misma habitación y han estado allí por un tiempo, es probable que en realidad tengan la misma temperatura. Eso es porque sus manos no miden la temperatura; miden la transferencia de calor. Y los metales conducen el calor con especial rapidez: el calor de la mano se pierde más rápidamente cuando toca la pata de metal de la silla, a pesar de que la pata de la silla tiene la misma temperatura que el escritorio. Pero eso es conducción: solo uno de los tipos de transferencia de calor que se estudia en física térmica.

Cuando comienza a estudiar estos movimientos moleculares en profundidad, el tema se expande rápidamente a una amplia variedad de áreas. Entonces, a continuación, hablaremos de las áreas generales que componen colectivamente la física térmica.

Áreas clave de la física térmica

Las áreas clave de la física térmica de las que vamos a hablar son: termodinámica, mecánica estadística y teoría cinética.

La termodinámica es el estudio del movimiento de la energía térmica. Esto abarca las leyes de la termodinámica, que hablan sobre cómo y por qué se mueve el calor, los tipos de transferencia de calor (conducción, convección y radiación), cambios de fase (estado) y la relación entre energía y trabajo. Estudiar termodinámica también significa hablar de motores térmicos: cómo podemos extraer trabajo útil utilizando una combinación de depósitos fríos y calientes.

La teoría cinética es una descripción simplificada de los gases que describe cómo las moléculas se mueven y reaccionan a las situaciones, prediciendo lo que sucederá con el gas en su conjunto. O en otras palabras, utiliza leyes físicas simples para las moléculas que componen un gas para explicar la forma en que se comportan los gases en escalas cotidianas. La teoría cinética también define términos como temperatura (la energía cinética promedio de las moléculas de gas), presión (la fuerza ejercida por las moléculas de gas en las paredes de su contenedor) y volumen (el espacio que ocupan las moléculas de gas). La teoría cinética no solo define estas propiedades, sino también su viscosidad y conductividad térmica, todo utilizando la composición y el movimiento de las moléculas.

Por último, la mecánica estadística lleva la teoría cinética un paso más allá. Utiliza probabilidades estadísticas para predecir el comportamiento probable de las moléculas en un sistema. La mecánica estadística rechaza términos como temperatura, presión y volumen, y muestra cómo surgen del comportamiento estadístico de las moléculas. Es más poderosa que la teoría cinética, pero también correspondientemente más compleja.

En Física AP, nos centraremos principalmente en los dos primeros temas, discutiendo muchos de los temas que solo se mencionan en esta lección con mucho más detalle.

Resumen de la lección

La física térmica es el estudio del calor. La energía térmica , o energía térmica , es la energía de una sustancia o sistema en términos del movimiento o vibración de sus moléculas. Cuanto más rápido se mueven las moléculas de una sustancia, más energía térmica tienen. La temperatura es la energía cinética promedio de las moléculas de una sustancia. Un vaso de agua grande y uno pequeño pueden tener la misma temperatura, aunque el vaso grande contiene más energía térmica en general. La física térmica abarca la termodinámica, la mecánica estadística y la teoría cinética.

La termodinámica es el estudio del movimiento de la energía térmica. La teoría cinética es una descripción simplificada de los gases que describe cómo las moléculas se mueven y reaccionan a las situaciones, prediciendo lo que sucederá con el gas en su conjunto. Y la mecánica estadística usa probabilidades estadísticas para predecir el comportamiento probable de las moléculas en un sistema. La mecánica estadística rechaza términos como temperatura, presión y volumen, que se utilizan en la teoría cinética, y muestra cómo surgen del comportamiento estadístico de las moléculas. Es más poderosa que la teoría cinética, pero también más compleja.

Los resultados del aprendizaje

Cuando haya terminado, debería poder:

• Describe qué es la física térmica
• Identificar y describir los temas clave estudiados dentro de la física térmica.