Energía térmica: características, obtención, transferencia
La energía térmica o energía calorífica de un cuerpo es la energía interna asociada a su temperatura, por ello se manifiesta en forma de calor. Experimentar la energía térmica es muy sencillo: basta con frotarse las manos para percibir el calor provocado por la fricción.
El origen de la energía térmica reside, por una parte, en el constante movimiento de las partículas a nivel molecular, lo cual les confiere energía cinética, que es la energía asociada al movimiento.
Por otra parte, las partículas poseen una propiedad llamada carga eléctrica, según la cual interactúan de acuerdo a sus posiciones relativas. Esta contribución a la energía térmica del cuerpo es la energía potencial.
Es preciso enfatizar que la energía térmica no es una forma nueva de energía, sino la manera de referirse a la suma de las energías cinética y potencial de un sistema muy grande de partículas. La medida de esta energía es la temperatura, por eso, cuanto mayor es la temperatura de algo, más energía térmica o calorífica posee.
Índice del artículo
- 1 Características de la energía térmica
- 2 Unidades y fórmulas
- 3 ¿De dónde se obtiene la energía térmica?
- 4 Transferencia de la energía térmica
- 5 Referencias
La energía térmica de un sistema se caracteriza por:
-Tener las mismas unidades que el trabajo y cualquier otra forma de energía.
-Transferirse fácilmente de un material a otro mediante ciertos mecanismos fundamentales que se describen más adelante.
-Variarse de dos maneras: la primera intercambiando energía con el entorno, que en este caso se habla de transferir calor, y la otra es realizando algún trabajo sobre el sistema que le agregue o le reste energía.
La unidad de la energía térmica en el Sistema Internacional es el joule, abreviado J, en honor al físico inglés James Prescott Joule. Sin embargo, en cuanto a la energía térmica se refiere, una unidad de uso común es la caloría.
En términos del joule, una caloría termoquímica equivale a 4.1840 J y una kilocaloría representa 1000 calorías.
La energía térmica es proporcional a la temperatura del cuerpo. Si Ec es la energía cinética y T la temperatura, la constante de proporcionalidad es kBo constante de Boltzmann, la energía cinética media de la partícula por cada grado de libertad viene dada por la siguiente ecuación:
Ec = ½ kB∙T
Por ejemplo, una molécula de gas monoatómico, como helio o argón, puede moverse para cualquier lado dentro una habitación, entonces tiene 3 grados de libertad y su energía cinética de traslación equivale a 3 veces la ecuación anterior:
Ec = 3/2 ∙ kB∙T
En unidades del Sistema Internacional, la constante de Boltzmann vale 1.380649×10−23 J/K.
Suponiendo que las moléculas de gas interactúan muy poco unas con otras (gas ideal) y que únicamente tienen movimiento de traslación, la energía interna U equivale enteramente a la energía cinética Ec.
Cuando se toman en cuenta otras contribuciones, como movimiento de rotación por ejemplo, se añade E = ½ k∙T por cada posibilidad de movimiento.
Cuando dos cuerpos con diferentes temperaturas se ponen en contacto, la energía espontáneamente fluye del más caliente al más frío, hasta que se logra el equilibrio térmico y las temperaturas se igualan.
Una vez en equilibrio térmico con su entorno, un cuerpo absorbe tanta energía térmica como emite.
Con frecuencia estos cambios producen transformaciones. Por ejemplo, al calentarse, la mayor parte de las sustancias se expanden y al enfriarse se contraen. También pueden tener lugar cambios de estado, como pasar de sólido a líquido o sufrir transformaciones químicas.
Obtener energía térmica es posible a través de diversas vías. Para la Tierra, la fuente primordial es el Sol, pero la Tierra misma genera calor por cuenta propia a través del decaimiento radiactivo de algunos elementos inestables.
Las reacciones químicas y la electricidad también generan energía térmica que puede ser aprovechada.
En el núcleo de la mayoría de las estrellas se fusiona el hidrógeno, el elemento más sencillo y abundante en el universo, para producir helio, el siguiente elemento más complejo después del hidrógeno. Este proceso de fusión nuclear, que ocurre continuamente dentro del Sol, libera grandes cantidades de energía que llegan a la Tierra en forma de luz y calor.
La combustión es una reacción química que libera calor rápidamente. Se produce siempre en presencia de oxígeno y requiere un material combustible, como madera, carbón o gasolina. En ellas hay un intercambio de electrones en el que el oxígeno los toma del combustible, liberando luz y calor en el proceso.
En el ejemplo del comienzo, al frotarse las manos cuando hace frío se siente una reconfortante sensación de calor. Al hacerlo, el rozamiento cinético incrementa la energía de las partículas en la superficie de la piel y por ello aumenta la energía térmica.
Lo mismo sucede al empujar un libro sobre una mesa y en general siempre que exista movimiento relativo de superficies en contacto. A nivel microscópico las partículas de las dos superficies experimentan un aumento en su energía cinética, lo cual se traduce en una elevación de temperatura, que se puede percibir simplemente tocando las superficies.
Los materiales se calientan al paso de la corriente eléctrica, por eso, los cables de los aparatos eléctricos, cuando están conectados a la toma, se sienten calientes al tocar el recubrimiento plástico. Este calentamiento recibe el nombre de efecto Joule.
En el interior de la Tierra hay elementos inestables que decaen naturalmente, es decir, expelen partículas de sus núcleos para transformarse en otros elementos más estables. Este proceso viene acompañado de la emisión de energía térmica, misma que calienta el interior del planeta.
Hay tres mecanismos fundamentales para transferir energía térmica, es decir, pasar calor de un cuerpo a otro: conducción, convección y radiación.
Ocurre preferentemente en los materiales sólidos, cuyas partículas colisionan unas con otras, sin que estas se desplacen apreciablemente dentro del material. Los metales son buenos conductores de calor gracias a los electrones libres que poseen.
Mediante este proceso el calor se transporta junto a porciones de la masa, que generalmente es un fluido, por ejemplo un líquido. Al hervir el agua en una olla, la masa que está al fondo, cercana a la flama, se calienta y expande, por lo que su densidad disminuye y el fluido asciende. Así las porciones más frías se hunden para calentarse a su vez.
A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no necesita del medio material para propagarse, ya que lo hace mediante las ondas electromagnéticas. De esta manera llega hasta la Tierra la energía térmica proveniente del Sol a través del espacio vacío.
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