La energía térmica es un concepto fundamental para comprender cómo el calor y la temperatura desempeñan un papel en diversos fenómenos físicos. Esta lección explora los conceptos básicos de la energía térmica, cómo se relaciona con el calor, la energía y la física, y proporciona ejemplos y experimentos ilustrativos sin requerir ninguna práctica por parte del lector.
La energía térmica es la energía interna presente en un sistema debido a los movimientos aleatorios de sus partículas. Es una forma de energía cinética ya que surge del movimiento de partículas: átomos, moléculas o iones. Cuanto más rápido se mueven estas partículas, mayor es la temperatura de la sustancia y, en consecuencia, su energía térmica.
Es importante distinguir entre energía térmica y temperatura, aunque están estrechamente relacionadas. La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas de una sustancia, mientras que la energía térmica se refiere a la energía cinética total de todas las partículas del sistema. Por tanto, la energía térmica depende no sólo de la temperatura sino también de la masa del sistema y del tipo de partículas que contiene.
El calor es energía en tránsito. Es el flujo de energía térmica entre objetos de diferentes temperaturas. Cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto, la energía térmica pasa del objeto más caliente al más frío hasta que se alcanza el equilibrio térmico, es decir, ambos objetos tienen la misma temperatura. Este fenómeno demuestra la segunda ley de la termodinámica, que establece que la energía tiende espontáneamente a fluir de una temperatura más alta a una más baja.
La transferencia de calor puede ocurrir de tres maneras: conducción, convección y radiación.
Comprender la energía térmica, su medición y transferencia es crucial en diversos contextos cotidianos y científicos. Aquí hay dos experimentos para demostrar estos principios:
La capacidad calorífica de una sustancia es un concepto importante en física térmica. Es la cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado Celsius. La capacidad calorífica específica ( \(c\) ) viene dada por la ecuación: \(Q = mc\Delta T\) donde \(Q\) es el calor añadido, \(m\) es la masa de la sustancia, \(c\) es la capacidad calorífica específica y \(\Delta T\) es el cambio de temperatura.
Para explorar este concepto, se puede medir la capacidad calorífica del agua calentando una masa conocida de agua y registrando el cambio de temperatura. Aplicando la energía térmica a través de un calentador eléctrico y midiendo la energía suministrada usando un medidor eléctrico, se puede calcular la capacidad calorífica específica del agua, que se sabe que es aproximadamente \(4.18 \, \textrm{J/g°C}\) .
Un experimento sencillo para visualizar la convección consiste en calentar agua en un recipiente transparente con partículas pequeñas y visibles suspendidas en él (como brillantina o semillas). A medida que el agua en el fondo del recipiente se calienta, se expande, se vuelve menos densa y asciende, mientras que el agua más fría y densa se hunde. Esto crea corrientes de convección que se pueden observar como el movimiento de las partículas.
La energía térmica y sus métodos de transferencia tienen amplias aplicaciones en nuestra vida diaria y procesos industriales. Por ejemplo:
Comprender la energía térmica es crucial en la física y la vida cotidiana. Abarca los conceptos de calor, temperatura y transferencia de energía, integrando elementos esenciales de la ciencia física. Al investigar el movimiento y la interacción de partículas y mediante experimentos simples, este concepto fundamental se vuelve accesible, demostrando su aplicación universal e importancia en diversos fenómenos y tecnologías.
