¿Qué es la energía térmica? – Hechos y cálculos

Publicado el 12 octubre, 2020 por Rodrigo Ricardo

Definición de energía térmica

El calor siempre ha sido un misterio. Antoine Lavoisier teorizó que el calor era una sustancia con masa. Eso significaba que la transferencia de calor implicaba la transferencia de una sustancia real entre cuerpos. Desafortunadamente, la teoría de Lavoisier no fue apoyada por la observación experimental, por lo que se necesitaba una mejor descripción del calor.

El calor siempre se ha confundido con la temperatura, pero la razón es que el calor y la temperatura están relacionados. La temperatura es una medida cuantitativa de calor o frío. Los sólidos, líquidos y gases están formados por átomos y moléculas. Cuando estos átomos y moléculas se mueven lentamente, la temperatura de esa sustancia sería baja. Cuanto más rápido se mueven los átomos y las moléculas, mayor es la temperatura. El calor es la energía total de estos átomos y moléculas a medida que se mueven. Esta figura muestra cómo la velocidad de los átomos y las moléculas está relacionada con la temperatura de la sustancia.

diagrama de calor

La energía total de los átomos y moléculas que se muestran en la figura en pantalla es lo que llamamos calor.

Hechos sobre la energía térmica

Aquí hay algunos datos y propiedades interesantes de la energía térmica. La figura aquí ilustra la dirección de la transferencia de calor entre dos sustancias.

transferencia de calor

La transferencia de calor es cuando la energía térmica fluye desde el objeto de mayor temperatura a un objeto con menor temperatura. Nunca hará lo contrario.

La energía térmica se puede transferir mediante los siguientes métodos: conducción, convección y radiación.

Conducción

Veamos primero el proceso de transferencia de calor por conducción. Considere la siguiente situación, que puede haber experimentado. Usted toma una taza de café muy caliente, le pone azúcar al café y usa una cuchara para remover el café. Dejaste accidentalmente la cuchara en el café cuando lo dejaste sobre la mesa. Minutos después, tomas la cuchara del café y notas que la cuchara ahora está caliente. La cuchara, que inicialmente estaba fría, ahora está casi tan caliente como el café. Esta situación es una ilustración de conducción. Las moléculas de la cuchara sumergidas en el café se vieron obligadas a moverse más rápido. Estas moléculas de movimiento más rápido chocan con moléculas adyacentes de movimiento más lento y hacen que se muevan más rápido, etc. Después de un tiempo, todas las moléculas de cuchara se moverán más rápido. Conducciónes un proceso de transferencia de calor en el que las moléculas de movimiento más rápido imparten su energía a moléculas de movimiento más lento hasta que toda la sustancia se mueve con una velocidad más rápida. La figura que está viendo en pantalla ilustra la conducción.

Conducción

Convección

El segundo método de transferencia de calor se llama convección. ¿Has oído hablar alguna vez de la afirmación de que sube el aire caliente? Esta declaración describe la convección. La convección , ilustrada en la figura aquí, es el método de transferencia de calor que involucra grandes masas de una sustancia que circulan debido a las diferencias de temperatura dentro de esa sustancia.

Convección

A medida que aumenta la masa más caliente, la masa más fría desciende y, en el proceso, el calor se transfiere a la masa más fría, lo que hace que suba.

Radiación

El tercer mecanismo de transferencia de calor se llama radiación. La radiación es el método que nos permite obtener calor del sol. A través de la radiación, el sol puede transferir energía a la Tierra incluso a través del vacío del espacio. Además, cada objeto emite radiación. Usted emite radiación, su perro emite radiación e incluso un cubo de hielo emite radiación. Si pones un trozo de metal al fuego y lo sacas después de unos minutos, el trozo de metal brillará. Este es un ejemplo de radiación. El sol nos envía radiación en onda corta y la tierra emite radiación en onda larga.

Otro hecho interesante sobre el calor es que diferentes sustancias absorben y emiten calor en cantidades variables. Por ejemplo, considere el agua hirviendo. Antes de que hierva el agua, aún puede poner la mano en el agua, pero no puede tocar la olla. ¿Qué significa esto? El agua tarda más en absorber el calor que la olla de metal que contiene el agua. Esto se debe a que el agua y la olla tienen cada uno una capacidad calorífica específica diferente., que es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una masa específica en una cantidad específica. Los metales tienen una capacidad calorífica específica baja y los líquidos como el agua tienen una capacidad calorífica específica más alta. Esto significa que los metales se calentarán y enfriarán más rápido que el agua. Entonces, cuando cambia la temperatura de una sustancia, podemos calcular la cantidad de calor transferido si conocemos la capacidad calorífica específica y la masa de la sustancia.

La fórmula para el calor es entonces:

Ecuación

En esta ecuación, m es la masa de la sustancia y c es la capacidad calorífica específica de la sustancia. La siguiente tabla es una lista de calores específicos para algunas sustancias:

Sustancia Capacidad calorífica específica (julio / kg / grado Celsius)
Agua 4.186
Aluminio 900
Planchar 445
Cobre 390

La unidad para la capacidad calorífica específica es julio / kg / grado Celsius. Un joule es la unidad estándar para cualquier tipo de energía. Como ejemplo, calculemos cuánto calor se necesita para hervir 0.100 kg de agua si el agua estuviera inicialmente a 20 grados Celsius. El cálculo sería:

calor calc2-1

heatcalc2-2

heatcalc2-3

Tenga en cuenta que la cantidad de calor puede ser positiva o negativa. Si el cambio de temperatura es positivo, el calor es positivo, por lo que el objeto ganó energía. Si el cambio de temperatura es negativo, el objeto pierde calor.

Resumen de la lección

El calor y la temperatura a menudo se confunden entre sí. Si bien la temperatura está relacionada con la velocidad de los átomos y moléculas de una sustancia, el calor es la energía total de estos átomos y moléculas. Esto significa que los objetos con una temperatura más alta tienen más energía térmica que los objetos con una temperatura más baja. El calor se puede transferir por conducción, convección y radiación. La conducción es un proceso de transferencia de calor en el que las moléculas que se mueven más rápido imparten su energía a moléculas que se mueven más lentamente hasta que toda la sustancia se mueve con una velocidad más rápida.La convección es el método de transferencia de calor que involucra grandes masas de una sustancia en circulación debido a las diferencias de temperatura. dentro de esa sustancia, y la radiación es el método que nos permite obtener calor del sol.

La transferencia de calor ocurre en una dirección, siempre del objeto más caliente al objeto más frío. Para calcular este calor, necesitamos conocer la capacidad calorífica específica (la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una masa específica en una cantidad específica) de la sustancia. La capacidad calorífica específica de una sustancia es proporcional a la cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de esa sustancia, como se describe en esta imagen.

Ecuación

Las sustancias de alta capacidad calorífica específica como el agua requieren más calor para elevar sus temperaturas, mientras que las sustancias de baja capacidad calorífica específica como el aluminio y el cobre requieren poco calor para cambiar sus temperaturas.

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