Energía Térmica: Definición, Conducción, Convección Y Radiación.

La mayoría de nosotros usamos la palabra “calor” para referirnos a algo que se siente cálido, pero la ciencia define el calor como el flujo de energía de un objeto cálido a un objeto más frío. En realidad, la energía térmica está a nuestro alrededor: en los volcanes, en los icebergs y en su cuerpo. Toda la materia contiene energía térmica.

¿Que es la energía térmica?

Que es la energía térmica

La energía térmica es el resultado del movimiento o transferencia de pequeñas partículas que se denominan átomos, moléculas o iones en sólidos, líquidos y gases. También es necesario saber que la energía térmica se puede transferir de un objeto a otro. La transferencia o flujo que se debe a la diferencia de temperatura entre ambos objetos se llama calor.

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 los cuerpos. Desafortunadamente, la teoría de Lavoisier no fue respaldada 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 frialdad. Los sólidos, líquidos y gases están formados por átomos y moléculas. Cuando estos átomos y moléculas se muevan lentamente, la temperatura de esa sustancia sería baja. Cuanto más rápido se muevan los átomos y las moléculas, mayor será 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.

La energía total de los átomos y las moléculas que se muestran en la figura en pantalla es lo que llamamos calor. Por ejemplo, un cubo de hielo tiene energía térmica y también un vaso de limonada. Si pones el hielo en la limonada, la limonada (que es más caliente) transferirá parte de su energía térmica al hielo. En otras palabras, calentará el hielo. Eventualmente, el hielo se derrite y la limonada y el agua del hielo tendrán la misma temperatura. Esto se conoce como alcanzar un estado de equilibrio térmico.

Datos sobre la energía térmica

Datos sobre la energía térmica

 

Aquí hay algunos hechos y propiedades interesantes de la energía térmica. La figura aquí ilustra la dirección de la transferencia de calor entre dos sustancias. La transferencia de calor se produce cuando la energía térmica fluye desde el objeto de mayor temperatura a un objeto con una temperatura más baja. Nunca hará lo contrario. La energía térmica se puede transferir mediante los siguientes métodos: conducción, convección y radiación.

Conducción

Primero veamos el proceso de transferencia de calor por conducción. Considere la siguiente situación, que puede haber experimentado. Tienes una taza de café muy caliente, y pones azúcar en el café y usas una cuchara para remover el café. Dejó accidentalmente la cuchara en el café cuando la dejó en su 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 la conducción. Las moléculas de la cuchara sumergidas en el café se vieron obligadas a moverse más rápido.

Estas moléculas de movimiento más rápido se topan con las moléculas adyacentes que se mueven más lentamente y hacen que se muevan más rápido, etc. Después de un tiempo, todas las moléculas de la cuchara se moverán más rápido. La conducción es un proceso de transferencia de calor en el que las moléculas que se mueven más rápido imparten su energía a moléculas en movimiento más lento hasta que toda la sustancia se mueve a una velocidad más rápida. La figura que estás viendo en pantalla ilustra la conducción.

La conducción transfiere energía térmica en sólidos. Las partículas en movimiento de un material soild cálido pueden aumentar la energía calorífica de las partículas en un material sólido más frío al transferirlo directamente de una partícula a la siguiente. Como las partículas están más juntas, los sólidos conducen el calor mejor que los líquidos o los gases.

Convección

El segundo método de transferencia de calor se llama convección. ¿Has oído hablar de la afirmación de que el aire caliente se eleva? 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 circula debido a las diferencias de temperatura dentro de esa sustancia. A medida que aumenta la masa del calentador, la masa del enfriador se mueve hacia abajo y en el proceso el calor se transfiere a la masa del enfriador, lo que hace que se mueva hacia arriba.

La convección transfiere energía térmica a través de gases y líquidos. A medida que el aire se calienta, las partículas obtienen energía térmica, lo que les permite moverse más rápido y más lejos, llevando consigo la energía térmica. El aire caliente es menos denso que el aire frío y se elevará. El aire más frío se mueve hacia abajo para reemplazar el aire que ha subido. Se calienta, se eleva y vuelve a ser reemplazado por aire más frío, creando un flujo circular llamado corriente de convección. Estas corrientes circulan y calientan la habitación.

Radiación

El tercer mecanismo de transferencia de calor se llama radiación. La radiación es el método que nos permite obtener el 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 una pieza de metal en el fuego y la sacas después de unos minutos, la pieza de metal brillará. Este es un ejemplo de radiación. El sol nos envía radiación en una onda corta, y la Tierra emite la radiación en una onda larga.

Otro hecho interesante sobre el calor es que las diferentes sustancias absorben y emiten calor en cantidades variables. Por ejemplo, considere hervir el agua. Antes de que el agua hierva, aún puedes poner tu mano en el agua, pero no puedes tocar la olla. ¿Qué significa esto? El agua tarda más en absorber calor que la olla de metal que contiene el agua.

Esto se debe a que el agua y la olla tienen una capacidad de calor específico 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 de calor específica baja, y los líquidos como el agua tienen una capacidad de calor específica más alta. Esto significa que los metales se calientan y enfrían más rápido que el agua.

La radiación es un método de transferencia de calor que no requiere partículas para transportar la energía térmica. En cambio, el calor se transfiere en ondas infrarrojas (parte del espectro electromagnético). Las ondas de calor irradian desde los objetos calientes en todas las direcciones, viajando a la velocidad de la luz, hasta que golpean a otro objeto. Cuando esto sucede, la energía térmica transportada por las olas puede ser absorbida o reflejada. Por ejemplo, la cámara de combustión se calentará debido a la convección. El aire sobre el fuego estará tibio debido a la convección. Puede calentar sus manos cerca de las llamas debido a la transferencia de calor radiante.

Dato extra

Partículas en movimiento: La materia está a tu alrededor. Es todo en el universo: cualquier cosa que tenga tanto masa como volumen y ocupe espacio es materia. La materia existe en diferentes formas físicas: sólidos, líquidos y gases. Toda la materia está compuesta de pequeñas partículas llamadas átomos, moléculas e iones. Estas diminutas partículas están siempre en movimiento, ya sea chocando entre sí o vibrando de un lado a otro. Es el movimiento de las partículas lo que crea una forma de energía llamada energía térmica (o térmica) que está presente en toda la materia.

Las partículas en sólidos están fuertemente empaquetadas y solo pueden vibrar. Las partículas en los líquidos también vibran pero son capaces de moverse rodando una sobre la otra y deslizándose. En los gases, las partículas se mueven libremente con un movimiento rápido y aleatorio.

Transferencia de energía térmica: partículas en colisión

A temperaturas más altas, las partículas tienen más energía. Parte de esta energía puede transmitirse a otras partículas que están a una temperatura más baja. Por ejemplo, en el estado de gas, cuando una partícula de movimiento rápido colisiona con una partícula en movimiento más lento, transfiere parte de su energía a la partícula en movimiento más lento, aumentando la velocidad de esa partícula.

Con miles de millones de partículas en movimiento colisionando entre sí, un área de alta energía se transferirá lentamente a través del material hasta que se alcance el equilibrio térmico (la temperatura es la misma en todas las partes del material).

Cambio de estados por transferencia de calor

Las partículas en movimiento más rápido ‘excitan’ las partículas cercanas. Si se calienta lo suficiente, el movimiento de las partículas en un sólido aumenta y supera los enlaces que mantienen unidas las partículas. La sustancia cambia su estado de sólido a líquido (fusión). Si el movimiento de las partículas aumenta más en el líquido, entonces se alcanza una etapa donde la sustancia se transforma en gas (evaporación).

Un efecto de calor – expansión

energía térmica

Cuando los gases, líquidos y sólidos se calientan, se expanden. A medida que se enfrían, se contraen o se hacen más pequeños. La expansión de los gases y líquidos se debe a que las partículas se mueven muy rápido cuando se calientan y pueden separarse más para ocupar más espacio. Si el gas o líquido se calienta en un recipiente cerrado, las partículas colisionan con los lados del recipiente y esto causa presión. Cuanto mayor es el número de colisiones, mayor es la presión.

A veces, cuando una casa está en llamas, las ventanas explotarán hacia afuera. Esto se debe a que el aire de la casa se ha calentado y las moléculas excitadas se mueven a gran velocidad por la habitación. Empujan contra las paredes, el techo, el piso y las ventanas. Debido a que las ventanas son la parte más débil de la estructura de la casa, se rompen y se abren, liberando la mayor presión.

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