Energía térmica
¿Qué es la energía térmica?
La energía térmica o energía calórica es el grado de energía
interna contenida en un sistema termodinámico en equilibrio (un cuerpo, un
conjunto de partículas, una molécula, etc.) y que es proporcional a su
temperatura absoluta.
Dicho en otras palabras, la energía térmica es la que genera
el movimiento interno y aleatorio de las partículas de un cuerpo (es decir, es
equivalente a la energía cinética), que aumenta o disminuye por transferencia
de energía, usualmente bajo la forma de calor o de trabajo.
La temperatura de un sistema y su capacidad de generar un
trabajo (movimiento, etc.) dependen de su energía térmica. Esto se debe a que,
como ocurre con todas las formas de energía, puede ser transformada,
transmitida o conservada hasta cierto punto.
Esto implica que la energía térmica también es responsable
de los estados de agregación de la materia, ya que, a mayores niveles de
energía, mayor agitación de las partículas constituyentes de la materia y menor
posibilidad de que compartan un espacio limitado.
Las partículas de un líquido son más energéticas que las de
un sólido, y las de un gas mucho más que las de un líquido. Por eso,
generalmente podemos calentar (es decir, introducir energía térmica) un sólido
y llevarlo al estado líquido, y seguir calentándolo para llevarlo a estado
gaseoso.
La pérdida o ganancia de energía térmica es lo que define el
calentamiento o el enfriamiento de un cuerpo o de un sistema. Sin embargo, no
deben confundirse los siguientes conceptos:
Ø
Temperatura. Es el promedio de energía cinética
de las partículas de un cuerpo o sistema.
Ø
Calor. Es la transferencia de energía interna de
un cuerpo o sistema a otro, como producto de una diferencia de temperatura.
Ø
Energía térmica. Es la energía total de las
moléculas dentro de un cuerpo o sistema.
Características de la energía térmica
Como todos los sistemas termodinámicos tienden al equilibrio
térmico con su entorno, esta energía debe poder transmitirse de un cuerpo a
otro o de un cuerpo al medio ambiente, y lo hace a través de tres mecanismos
esenciales:
Ø
Conducción. La transferencia de energía se da
mediante el contacto entre los cuerpos, sin intercambio de materia.
Ø
Convección. La transferencia de energía se
produce mediante el movimiento de un fluido (líquidos o gases). Si, por
ejemplo, se mezclan dos fluidos, el de mayor temperatura le transferirá calor
al otro, por convección.
Ø
Radiación. La energía se transfiere sin
necesidad de contacto físico y por medio de ondas electromagnéticas. Por
ejemplo, el sol transmite energía térmica por radiación.
¿Cómo se obtiene la energía térmica?
La energía térmica puede obtenerse de múltiples maneras, a
través de distintas fuentes que entregan calor. Así, por ejemplo, una
calefacción en invierno es una fuente de energía térmica que cede calor y que
nuestro cuerpo absorbe para mantenerse caliente.
El calor provisto por la calefacción proviene de la
transformación de energía eléctrica en energía térmica, es decir, las fuentes
de este tipo de energía pueden ser alimentadas por otras formas de energía. Por
ejemplo, se puede obtener energía térmica a partir de reacciones químicas,
especialmente las de óxido-reducción o combustión.
Algunos ejemplos de energía térmica:
El calor del Sol, irradiado al espacio a su alrededor y que
recibimos junto a su luz cada día.
El calor que agregamos a la comida al cocinar incrementa
enormemente su energía térmica y produce cambios químicos en su composición que
nos permiten digerirla con más facilidad.
Una calefacción encendida añade energía térmica al ambiente
de una habitación, y que nuestro cuerpo absorbe del aire, y la percibimos como
calor.
Cuando encendemos un fósforo, disparamos una reacción
exotérmica, o sea, una reacción que incrementa la energía térmica del sistema,
al menos durante el tiempo que tarda en consumirse el fósforo.
CONVERSIÓN DE TEMPERATURA °C A °F
PROBLEMAS
Se ha construido un termómetro cuya escala relativa es A,
donde la temperatura de ebullición del agua es de 37°A y de 17°A la temperatura
de congelación del agua. Expresar 30°C en la escala °A.
GASES IDELAES Y LEYES DE BOYLE Y CHARLES
En un gas las
moléculas individuales están tan distantes entre si que las fuerzas de cohesión
que existen entre ellas por lo general son pequeñas. Si bien es cierto que la
estructura molecular de diferentes gases puede variar en forma considerable, su
comportamiento casi no se ve afectado por el tamaño de las moléculas individuales.
Se puede decir con gran seguridad que, cuando una cantidad grande de gas
confinada en un volumen reducido, el volumen ocupado por las moléculas toda
resulta ser una fracción minúscula del volumen total.
Una de las
generalizaciones más útiles respecto a los gases es el concepto gas ideal, cuyo
comportamiento no se ve afectado en lo absoluto por fuerzas de cohesión o
volúmenes moleculares. Por supuesto, ningún gas real es ideal, pero en
condiciones normales de temperatura y presión el comportamiento de cualquier gas
es muy parecido al de un gas ideal. Por consiguiente, las observaciones
experimentales tales de gran número de gases reales pueden conducir a la deducción
de leyes físicas generales que rigen su comportamiento térmico. El grado en el
que cualquier gas real obedece estas relaciones está determinado por el grado
en que se aproxima gas ideal.
Las primeras
mediciones experimentales del comportamiento térmico de los gases fueron
realizadas por el fisico angloirlandes Robert Boyle (1627-1691 a cabo un
estudio exhaustivo de los cambios en el volumen de los gases como resultado de cambios
en la presión. Todas las demás variables, como la masa y la temperatura, se
mantuvieron constantes. En 1660, Boyle demostró que el volumen gas es
inversamente proporcional a su presión. En otras palabras, cuando se d el
volumen, la presión disminuye a la mitad de su valor original. En la actual
este hallazgo recibe el nombre de ley de Bovle
LEY DE BOYLE
Siempre que la masa y la temperatura
de una muestra de gas se mantengan constantes, el volumen de dicho gas es inversamente
proporcional a su presión absoluta.
Formula P1V1 =
P2V2 m
y T Constante
Ley de Charles
Mientras la masa y la presión de un gas se mantengan constantes, el
volumen de ese gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta
Formula
V1/T1 = V2/T2 m y P Constante
1L = 1000cm3 = 1 x 10-6 m3
Problemas
1) Que
volumen de gas hidrógeno a presión atmosférica se requiere para llenar un
tanque de 5.000 cm³ bajo una presión manométrica de 530kPa
2) Un
cilindro sin fricción se llena con 2 L de un gas ideal a 23 °C. Un extremo del
cilindro está fijo a un pistón movible y el gas puede expandirse a una presión constante
hasta que su volumen llega a 2.5 L. ¿Cuál es la nueva temperatura del gas?
Las tres cantidades que determinan el
estado de una masa dada de gas son su presión, volumen y temperatura. La ley de
Boyle se ocupa de los cambios de presión y de volumen a temperatura constante,
y la ley de Charles se refiere al volumen y temperatura bajo presión constante.
La variación de presión como función de la temperatura se describe en una ley
atribuida a Gay-Lussac.
Ley de Gay-Lussac
Si el volumen de una muestra de gas
permanece constante la presión absoluta de dicho gas es directamente
proporcional a su temperatura absoluta.
FORMULA
P1/T1 = P2/T2 m y V constante
Problema
LAS LEYES GENERALES DE LOS GASES
Hasta ahora hemos estudiado tres
leyes que pueden usarse para describir el comportamiento térmico de los gases.
La ley de Boyle, como se enuncia en la ecuación, se aplica a una muestra de gas
cuya temperatura no cambia. La ley de Chas les, como se indica en la ecuación,
se aplica a una muestra de gas a presión constante. La ley de Gay-Lussac, en la
ecuación, corresponde a una muestra de gas a volumen constante. Por desgracia,
generalmente ninguna de estas condiciones se satisface. Lo más común es que un
sistema sufra cambios de volumen, temperatura y presión como resultado de un
proceso térmico. Una relación más general que combina las tres leyes es la
siguiente:
FORMULAS
P1V1/T1=
P2V2/T2 m
constate
P1V1/m1T1=
P2V2/m2T2
PROBLEMA
