La energía térmica es la energía que posee un cuerpo o sistema debido al movimiento de partículas dentro del cuerpo o sistema. Es uno de los diferentes tipos de energía, donde la energía básicamente se refiere a la capacidad de realizar un trabajo. Como tal, la energía térmica también se puede definir como la capacidad de algo para realizar un trabajo como resultado del movimiento de sus partículas.
En otras palabras, la energía térmica es la energía que posee un objeto o cuerpo en virtud del movimiento de sus partículas constituyentes. Es la energía cinética interna total de un objeto debido al movimiento aleatorio de sus átomos y moléculas. La energía térmica es un tipo de energía cinética debido a que resulta del movimiento de partículas. La energía cinética es la energía que posee un objeto debido a su movimiento.
Cuanto más rápido se mueven los átomos o moléculas o átomos que componen un cuerpo, mayor es la energía térmica del cuerpo. La mayoría de las veces, el concepto de energía térmica a menudo se confunde con el calor. En física, el calor se considera como una transferencia de energía de un cuerpo más caliente a uno más frío debido a las diferencias de temperatura.
El término ‘Calor’ en física se refiere a la energía térmica en tránsito; fluye siempre de una sustancia de mayor temperatura a la de menor temperatura, elevando la temperatura de esta última y reduciendo la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos permanezca constante.
En resumen, el calor es energía en transferencia, mientras que la energía térmica es la propiedad interna que posee un objeto antes de que ocurra la transferencia de energía en forma de calor (a menudo, la suma total de las energías cinéticas de las diversas partículas que componen el objeto en cuestión)
Los físicos consideran que la energía térmica es igual a un producto de k y T, donde:
K= Constante de Boltzmann (1.381 x 10 -23 m 2 kgs -2 K -1 )
T= temperatura absoluta
Esta relación suele escribirse como: kT o k B T
La energía térmica constituye la base del estudio de la energía térmica y la termodinámica. Es una de las formas de energía más antiguas utilizadas por la humanidad. Su uso existía incluso antes de que se descubrieran las fuentes de energía nuclear y de petróleo.
La mayoría de la gente simplemente se refiere a la energía térmica como calor. La energía térmica de toda materia siempre dependerá de la velocidad de las moléculas y átomos que la componen. Si el movimiento de estas moléculas y átomos es más rápido, se dice que el objeto tiene mayor energía cinética.
De manera similar, se sabe que el movimiento más rápido de las moléculas y los átomos en un objeto aumenta la temperatura del objeto. Por lo tanto, la energía térmica aumenta con el aumento del movimiento y, por lo tanto, se convierte en una forma de energía cinética.
Como la mayoría de la gente confunde la energía térmica con otras formas de energía y otros términos como temperaturas, varios hechos están ocultos al conocimiento de muchas personas. Por lo tanto, es esencial conocer varios ejemplos y hechos subyacentes sobre la energía térmica.
Tipos de Energía Térmica
Cuando los átomos y moléculas constituyentes de un cuerpo vibran, lo que provoca un aumento de la energía interna del cuerpo (energía térmica), se establece un gradiente de temperatura. Así, la energía térmica suele clasificarse en varios tipos en función de cómo se transfiere esta energía interna, en forma de calor, de un cuerpo a otro. Los siguientes son los diversos tipos:
1. Conducción
Este es un tipo de energía térmica que implica el movimiento de las partículas constituyentes de un objeto, sin movimiento del propio cuerpo. Puede ser exhibido por objetos en todas las fases (sólido, líquido y gas). El movimiento vibratorio de las partículas de un objeto da como resultado un aumento de la energía térmica (una forma de energía interna) de cada átomo o molécula que se transfiere por contacto a los átomos y moléculas vecinos dentro del objeto.
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Así, la energía térmica asociada con la conducción resulta de la transferencia de la energía interna aumentada de cada átomo o molécula constituyente a otra hasta que todos los átomos o moléculas se ponen en vibración. En este tipo de energía térmica, se debe hacer contacto entre partículas vecinas antes de que la energía térmica pueda pasar a lo largo del cuerpo.
En la conducción, sólo una parte del conductor está expuesta al agente agitador, pero el aumento o disminución de la energía térmica se transfiere uniformemente de una partícula constituyente a otra. Un ejemplo típico radica en el aumento de temperatura de una cuchara de acero inoxidable insertada en una olla durante algún tiempo, mientras se continúa calentando.
Los átomos o moléculas dentro de la cuchara de acero inoxidable en contacto directo con la parte más caliente de la olla se agitan y poseen mayor energía interna debido a su movimiento. Esta energía se transfiere a los átomos o moléculas vecinas hasta que todos los átomos y moléculas de la cuchara se ponen en vibración con un aumento resultante de la energía interna, que se manifiesta como un aumento de la temperatura de la cuchara.
2. Convección
Mientras que la convección ocurre no solo dentro de un cuerpo sino también entre dos cuerpos que se ponen en contacto. Si una de las sustancias es un líquido o un gas, lo más seguro es que se produzca el movimiento del fluido. La transferencia de energía entre una superficie sólida y un líquido o gas en movimiento se llama convección.
Un fluido experimenta convección natural o forzada. Cuando se calienta un líquido o un gas, su masa por unidad de volumen generalmente disminuye. En los casos en que el líquido o el gas se encuentran en un campo gravitatorio, el fluido más caliente y liviano sube mientras que el fluido más frío y pesado se hunde. Este tipo de movimiento, debido únicamente a la falta de uniformidad de la temperatura del fluido en presencia de un campo gravitatorio, se denomina convección natural.
La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presión y forzando así el movimiento de acuerdo con la ley de la mecánica de fluidos. Un ejemplo típico de este tipo de convección térmica es el siguiente: el agua en una olla se calienta desde abajo, el líquido más cercano al fondo se expande y su densidad se reduce; el agua caliente, como resultado, sube a la parte superior y parte del fluido más frío desciende hacia el fondo, estableciendo así un movimiento circulatorio.
De manera similar, en una cámara vertical llena de gas, como el espacio de aire entre dos paneles de ventana en una ventana de doble acristalamiento o Thermopane, el aire cerca del panel exterior frío se mueve hacia abajo y el aire cerca del panel interior más cálido sube. que conduce a un movimiento circulatorio (referido como ‘convección térmica’)
3. Radiación
Este tipo de energía térmica es fundamentalmente diferente tanto de la conducción como de la convección en que las sustancias que intercambian calor no necesitan estar en contacto entre sí. De hecho, la transferencia de energía térmica por radiación se produce entre dos cuerpos a pesar de estar separados por el vacío.
El término «radiación» generalmente se aplica a todo tipo de fenómenos de ondas electromagnéticas. La ley de Planck en física establece que: todas las sustancias emiten energía radiante simplemente en virtud de tener una temperatura absoluta positiva. Por lo tanto, las temperaturas más altas producen mayores cantidades de energía.
Además de emitir, todas las sustancias son capaces de absorber radiación. Esto se ilustra por el hecho de que, aunque un cubo de hielo emite continuamente energía radiante, se derrite cuando se enfoca una lámpara incandescente porque absorberá una mayor cantidad de calor del que puede emitir.
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Ejemplos de energía térmica
Cuando se trata de ejemplos de energía térmica, hay un sinfín de ejemplos. En casa, por ejemplo, la mayoría de los objetos exhiben energía térmica, que es una forma de energía tanto cinética como potencial . También interactuamos con varias instancias de energía térmica en nuestra vida diaria. Los siguientes son algunos de los ejemplos de energía térmica con los que se encontrará a menudo:
1. Energía Solar
La radiación solar (una forma de energía térmica) calienta nuestra atmósfera, por eso el calor se siente en la Tierra.
2. Energía geotérmica
Energía geotérmica, que es una forma de energía dentro de la corteza terrestre en calor intenso que fluye continuamente hacia afuera desde las profundidades de la Tierra. Este calor se origina principalmente en el núcleo. Este calor se genera dentro de la corteza terrestre principalmente a partir de la descomposición de los elementos radiactivos presentes en todas las rocas .
La corteza, que tiene un espesor de 5 a 75 km (alrededor de 3 a 47 millas), aísla la superficie de la tierra del interior caliente, que en el centro puede alcanzar temperaturas que oscilan entre 4000 °C y 7000 °C (aproximadamente entre 7200 °F y 12,600°F). Cuando el calor se concentra cerca de la superficie de la Tierra , se puede utilizar como fuente de energía.
3. Energía térmica de los océanos
Las superficies de los océanos y el agua de mar poseen un enorme potencial de almacenamiento de energía térmica, gracias a su exposición directa a los rayos del sol durante períodos prolongados. Esta energía térmica se aprovecha aprovechando la diferencia entre las temperaturas de las zonas marinas de aguas someras y profundas.
Con la tecnología apropiada, podemos recolectar energía térmica del océano y de las aguas marinas para impulsar diversas industrias, maquinaria y aplicaciones para el desarrollo económico. La tecnología utilizada para aprovechar esta energía se conoce generalmente como conversión de energía térmica oceánica (OTEC).
4. Energía de celda de combustible
También podemos aprovechar la energía producida a partir de la energía térmica mediante el uso de pilas de combustible. Una pila de combustible genera energía a partir de una reacción química, que tiene lugar en sus electrodos. La reacción entre dos electrodos produce iones o partículas cargadas, que son transportadas por un electrolito. El calor generado durante este proceso se aprovecha y se utiliza para mejorar la eficiencia energética .
5. Un vaso de chocolate frío y una taza de leche con chocolate caliente
Una taza de chocolate caliente tiende a estar más caliente que un vaso del mismo chocolate cuando está frío. En este caso, se puede deducir que la leche con chocolate caliente presenta una mayor energía térmica en comparación con la leche con chocolate fría. Al poner la leche con chocolate en una estufa caliente, habrá un aumento en la temperatura de la leche. Es así porque; la leche podrá absorber la energía térmica proveniente de la estufa caliente.
Por otro lado, cuando la leche con chocolate caliente se enfría, estará perdiendo energía térmica ya que se baja el movimiento de las partículas. No absorbe el calor de la estufa encendida. Como tal, pierde el calor hacia las áreas frías circundantes. Por lo tanto, la energía cinética de sus partículas se reduce, por lo tanto, se reduce la energía térmica de la leche con chocolate.
6. Hielo derritiéndose
Cuando se agrega hielo a un vaso de agua, la temperatura del agua disminuye a medida que aumenta la temperatura del hielo. Esto ocurre porque la energía térmica del agua más caliente que el hielo hará que el hielo se derrita.
Otros ejemplos comunes de energía térmica incluyen los siguientes :
7. Agregar hielo a un vaso de agua da como resultado una disminución de la temperatura del agua ya que la energía térmica del agua se utiliza para derretir el hielo.
8. Un vaso de agua de ocho onzas a 70 grados posee una mayor cantidad de energía térmica en comparación con un vaso de agua de ocho onzas a 60 grados.
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9. Una parrilla genera energía térmica quemando propano
10. Cuando se enciende una computadora, sus componentes internos generan energía térmica. Esta energía tiene que ser enfriada con un pequeño ventilador instalado dentro de la computadora.
11. Una estufa caliente tiene energía térmica, que se transmite a una olla de metal, lo que aumenta la velocidad de las moléculas de agua y, por lo tanto, aumenta la temperatura del agua.
12. Un gato tiene energía térmica en su interior, que puede transmitirse a una persona cuando el cálido animal se sienta en su regazo.
13. Una bañera llena de agua caliente contiene suficiente energía térmica para calentar tu cuerpo frío y hacerte sentir cómodo una vez más en un día frío.
De manera similar, los objetos se pueden separar calentándolos a ambos para encender el movimiento de las moléculas y hacer que se separen. Esto aumenta su energía térmica que viene como resultado del aumento de las temperaturas de la materia. Nuevamente, si esto sucede en líquidos en proceso de evaporación, se conoce como calor latente de vaporización, que es una forma de energía térmica.
Datos interesantes sobre la energía térmica
Dato 1: la energía térmica se mide en julios.
Hecho 2: Existe una relación entre la energía térmica y la temperatura de un objeto.
Hecho 3: La energía térmica es un componente de la energía total dentro de un objeto.
Hecho 4: La energía térmica es más difícil de transformar en otras formas de energía en comparación con otras formas de energía.
Hecho 5: Los objetos no pueden contener calor. Contienen energía térmica. Esto se debe a que el calor se considera un proceso.
Hecho 6: Cuando la energía térmica se transmite hacia o desde un objeto, se denomina calor.
Hecho 7: Necesita una máquina, como un motor, para convertir la energía térmica en otras formas de energía.
Dato 8: El calor del sol reemplaza el calor de la Tierra que se pierde en el espacio.
Hecho 9: La cantidad de energía térmica no depende de la cantidad de trabajo que realiza algo. Es diferente a otras formas de energía.
Dato 10: James Joule es reconocido como la primera persona en hablar sobre la ganancia y pérdida de calor, pero no fue el primero en utilizar el término “energía térmica”.
Hecho 11: La temperatura y el calor son dos cosas diferentes. Es decir, la temperatura se refiere a qué tan frío o caliente está un objeto.
Dato 12: El calor se puede transferir de tres maneras: radiación, convección y conducción.
Dato 13: Los objetos que permiten que la energía térmica se transmita fácilmente a través de ellos se conocen como conductores. Los metales son un buen ejemplo de conductores.
Dato 14: Los objetos que no permiten que la energía térmica se transmita fácilmente a través de ellos se conocen como aislantes. El plástico es un buen ejemplo de aislantes.
Hecho 15: la energía térmica a menudo se transfiere de tres formas principales, a saber; conducción, convección y radiación.
Dato 16: La energía térmica y la temperatura no son lo mismo. Esto se debe a que la temperatura simplemente define qué tan caliente o fría está la materia, mientras que la energía térmica trata con el estado cinético o potencial de las moléculas y los átomos del objeto.
Hecho 17: aunque James Joule no fue la primera persona en utilizar energía térmica, se le atribuye ser el primero en analizar la ganancia y la pérdida de calor.
Hecho 18: Existe una estrecha relación entre la energía térmica y la temperatura de cualquier materia.
Hecho 19: La cantidad de energía térmica en un objeto no está relacionada de ninguna manera con la cantidad de trabajo realizado por el objeto.
Hecho 20: Los objetos que se utilizan como aislantes, como la madera y los plásticos, no permiten que la energía térmica se mueva a través de ellos rápidamente.
Fact 21: Thermal energy forms a significant part of the total energy possessed by an object.
Sources: