La energía térmica

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A diario empleamos las palabras calor y temperatura sin tener en cuenta la diferencia sustancial que existe en el ámbito de la física.

La energía térmica es la manifestación de la energía en forma de calor, por tanto es una energía en “tránsito” que se transfiere de un cuerpo a otro. Se debe al movimiento de las partículas que forman la materia. Cuando ese movimiento se acelera, se origina mayor temperatura y al haber mayor temperatura hay más energía térmica. Así, un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura. De este modo, el calor no es más que una forma de denominar a los aumentos y pérdidas de energía térmica.

La energía que posee un cuerpo no puede ser medida ni calculada porque es difícil conocer los detalles del movimiento de cada una de las cientos de partículas que lo forman. Sin embargo, la agitación térmica de las partículas que forman un cuerpo está relacionada con su temperatura. Y cuanto mayor sea la temperatura de un cuerpo, mayor es la agitación térmica y la cantidad de energía calórica que posee.

Sin embargo, cuando un cuerpo experimenta un cambio de estado (por ejemplo: de sólido a líquido) absorbe o cede calor sin que su temperatura cambie; ese calor absorbido o cedido es el calor del cambio de estado correspondiente. Por ejemplo, cuando un trozo de hielo se funde, absorbe calor, pero su temperatura se mantiene a 0 °C; ese calor permite a las moléculas de agua ganar la energía que precisan para pasar del estado sólido al estado líquido, y se denomina calor de fusión o calor latente de fusión del hielo. Cuando el agua líquida pasa a hielo; el calor, en este caso cedido, es el calor de solidificación. El calor de fusión y el de solidificación son iguales.

¿Qué es calor y temperatura?

En la actualidad, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de captadores que la transforman en energía eléctrica o térmica.

El calor se define como la forma de energía que se transfiere entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Es decir, es la variación de la energía térmica de un cuerpo. Por lo tanto, el calor no es una magnitud independiente que se pueda “almacenar” en los cuerpos. La magnitud que aumenta o disminuye en un cuerpo es su energía térmica y estas variaciones se reflejarán en la variación de la temperatura.

Por su parte, la temperatura se define como una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o frío que puede ser medida con un termómetro. Y es la medida del grado de agitación de las partículas de un sistema.

Entonces…

- El calor se transfiere de los cuerpos calientes a los fríos. Es una energía de tránsito.

- La temperatura no es energía sino una medida de ella.

Unidad de medida del calor

La unidad de calor en el Sistema Internacional es el Julio (J). Pero de modo más frecuente se emplea otra unidad de medida llamada caloría (cal). Seguramente alguna vez habrás escuchado hablar de ellas cuando alguien habla de los datos nutricionales de algún alimento.

La equivalencia entre el Julio y la Caloría es la siguiente:

1 J = 0,24 cal

1 cal = 4,18 J

Para representar la cantidad de energía transferida en forma de calor, se utiliza el símbolo Q. Debemos saber que a causa del intercambio de calor, un cuerpo puede variar su temperatura o cambiar su estado (por ejemplo, de líquido a sólido). Si queremos calcular la cantidad de energía intercambiada podemos utilizar la siguiente ecuación:

Q= m.c.ΔT

Q= es la cantidad de energía en forma de calor intercambiada entre los sistemas.
m= es la masa del sistema.
c= es una propiedad que depende del material que constituye el cuerpo y se denomina calor específico.
ΔT= es la variación de temperatura.

El calor específico es la cantidad de calor que se necesita por unidad de masa para elevar la temperatura un grado Centígrado. El calor específico del agua es 1 caloría/gramo °C = 4,186 julios/gramo °C que es más alto que el de cualquier otra sustancia común.

El alto calor específico del agua tiende a estabilizar la temperatura y se refleja en la temperatura relativamente uniforme de las islas y de las regiones cercanas a grandes cuerpos de agua.

Unidad de medida de la temperatura

La temperatura, en cambio, es solo una magnitud que miden los termómetros y se mide en grados. Nosotros usamos el grado centígrado o Celsius (ºC), pero en los países anglosajones emplean el grado Farenheit (ºF). Mientras que el Sistema Internacional ha adoptado la escala Kelvin (K).

El físico sueco Anders Celsius fue quien propuso la escala de temperatura que lleva su apellido, la misma ha sido establecida en el siglo XVIII. Tomó el nombre de escala de “centígrados” porque divide el intervalo entre la temperatura a la que funde el hielo y la temperatura a la que hierve el agua en 100 partes iguales.

El término “grados centígrados” para referirse a la temperatura medida con esta escala se mantuvo vigente de modo oficial hasta 1948. Luego, se cambió por el término “grados Celsius”, en honor al inventor de esta escala y para evitar confusiones con los grados centígrados empleados entonces en la medida de ángulos (ahora llamados grados centesimales). No obstante, coloquialmente sigue utilizándose la expresión “grados centígrados”.

La escala Fahrenheit fue establecida por el físico holandés-alemán Gabriel Daniel Fahrenheit, en 1724. Es más utilizada en los Estados Unidos. Esta escala divide la diferencia entre los puntos de fusión y de ebullición del agua en 180 intervalos iguales. Las temperaturas en la escala Fahrenheit son conocidas como grados Fahrenheit (ºF).

En tanto, la escala empleada en el Sistema Internacional es la Kelvin, fue propuesta por Lord William Kelvin, un físico Escocés, en el siglo XIX. Esta escala está basada en la idea del cero absoluto (-273.15ºC), la temperatura teórica en la que todo el movimiento molecular se para y no se puede detectar ninguna energía. Así, el punto de congelamiento del agua es 273.15 K y 373.15 K es el punto de ebullición. No tiene números negativos porque teóricamente nada puede ser más frío que el cero absoluto.

Equilibrio térmico y transferencia de calor

Cuando se ponen en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, al cabo de cierto tiempo, ambos cuerpos llegan a tener la misma temperatura. En ese momento, los cuerpos han alcanzado el equilibrio térmico. Para llegar a dicho estado el cuerpo caliente transfiere calor al más frío.

El concepto de equilibrio térmico es un concepto que forma parte de la termodinámica, la rama de la física que se ocupa de describir los estados de equilibrio a un nivel macroscópico.

Existen tres modos de transferencia de calor:

Conducción: transferencia de energía térmica que se produce a través de un medio material, especialmente en los sólidos, sin que se manifieste transporte de materia. Es decir, las moléculas aumentan su grado de vibración pero no se desplazan de lugar. Por ejemplo: energía térmica del agua a una cuchara de metal.

Ciertos materiales son mejores conductores del calor, como los metales; mientras que otros son malos conductores como los plásticos.

Convección: es la transferencia de calor por medio del movimiento de una masa fluida, tal como el aire o el agua. En esta forma de propagación del calor sí hay transporte de materia. Puede ser natural, producida solo por las diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con una bomba. Solo se produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio.

La razón de este movimiento se debe a que el fluido caliente se dilata, su densidad disminuye y asciende, siendo reempleado por fluido frío el cual es más denso y desciende.

Radiación: es la transmisión del calor por ondas electromagnéticas, como ocurre con la luz y el calor del Sol que llegan a la Tierra. A diferencia de la conducción y la convección, o de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética es independiente de la materia para su propagación, e incluso la transferencia de energía puede darse en el vacío.

El termómetro

Si bien existen muchas clases de termómetros, los más comunes son los que contienen un líquido en su interior, llamado mercurio. Este es un metal sumamente sensible que se dilata o contrae con los cambios de temperatura. Ese efecto se mide con una escala, que puede ser Centígrados, la cual viene impresa en el vidrio del termómetro.

Este tipo de termómetros son generalmente utilizados para medir la temperatura del organismo y del medio ambiente. Cuando es necesario medir temperaturas por debajo de cero es preciso emplear termómetros que lleven alcohol etílico.

Existen diferentes tipos de termómetros, algunos de ellos son:

- Pirómetro: Miden la temperatura a partir de la radiación de calor emanada por los objetos. Por lo general es utilizado en fundiciones, hornos y demás lugares donde las temperaturas son muy elevadas.

- Termistor: Es un dispositivo que varía su resistencia eléctrica en función de la temperatura. Operan en un rango de -200º C a + 1000° C.

- Termómetro de gas: Por su exactitud se utilizan para calibrar otros termómetros. Miden la temperatura por la variación del volumen o la presión de un gas. Funcionan tanto a presión constante como a volumen constante.

- Termopar: Es un dispositivo basado en efectos termoeléctricos. Está formado por dos metales distintos que producen un voltaje producto de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" y el otro denominado "punto frío".

- Termómetro de bulbo húmedo: Mide el influjo de la humedad en la sensación térmica. Se trata de un censor formado por dos termómetros, el termómetro húmedo y el termómetro de temperatura del aire. El primero se denomina de esta manera porque tiene el bulbo de mercurio en contacto con un recipiente lleno de agua. Debajo de este termómetro se coloca una tela, de modo que la temperatura que mida no sea la del aire sino la temperatura intermedia entre el aire y el agua del recipiente.

La diferencia de temperaturas medida en los termómetros es una función de la humedad relativa del aire. Es decir, que si medimos la temperatura en ambos termómetros y calculamos su diferencia, podemos obtener el valor de la humedad relativa del aire a partir de una tabla de conversión de humedad relativa exterior - interior.

- Termómetro digital: Utilizan dispositivos transductores en los que se presentan variaciones de tensión cuando cambia la temperatura. Estas variaciones de tensión son convertidas en números por circuitos electrónicos y expresadas en una pantalla.