Significado de energía térmica Definición, y ejemplos de procesos
Licenciada en Física
Definición formal
La energía térmica es aquella que posee un cuerpo o un sistema cualquiera, en virtud del movimiento al azar de las partículas (átomos y moléculas) que lo componen y que se manifiesta a través de su temperatura. Cuanto mayor resulta la temperatura de un cuerpo, más energía térmica posee.
Es importante enfatizar que la temperatura y la energía térmica no son sinónimos, sino que la energía térmica es proporcional a la temperatura, lo cual quiere decir que a mayor temperatura, más energía cinética promedio poseen las partículas que componen el sistema. Sin embargo, hay el doble de energía térmica en 2 litros de agua hirviendo que en 1 litro, aún cuando la temperatura de ebullición (100 ºC) es la misma para ambos.
El calor tampoco es un sinónimo de energía térmica, ya que “calor” se refiere a la energía que se transfiere o fluye entre dos sistemas a distinta temperatura que se ponen en contacto. Añadiendo o extrayendo calor a un sistema, es posible modificar su energía térmica y cambiar su temperatura.
La energía térmica se manifiesta de muchas formas, la fuente más importante en la naturaleza proviene del Sol, que calienta el aire y la superficie terrestre, pero igualmente se percibe al frotarse las manos o en el calor que fluye desde una bombilla incandescente encendida. El planeta por sí mismo posee energía térmica, irradiando calor mediante los procesos de decaimiento radiactivo y las reacciones químicas que ocurren en su interior.
Al igual que para cualquier otro tipo de energía, en el Sistema Internacional de Unidades la energía térmica se mide en joules, abreviado J. La unidad fue nombrada así en honor al físico inglés James Prescott Joule (1818-1889), reconocido por sus trabajos experimentales en mecánica, termodinámica y electricidad.
Hay otras unidades aparte del joule de uso tradicional en termodinámica, por ejemplo la caloría, cuya equivalencia con aquel es:
1 caloría = 4.1840 J
La energía térmica y la primera ley de la termodinámica
Anteriormente se estableció que la energía térmica de un cuerpo se modifica haciendo fluir calor hacia él, o bien extrayéndolo. Pues bien, la primera ley de la termodinámica establece que:
“Cuando el calor fluye hacia o desde un sistema, este adquiere o cede una cantidad equivalente de energía térmica”
Cuando se agrega calor a un sistema, este tiene entonces la posibilidad de:
– Aumentar su energía interna
– Hacer un trabajo externo
– Ambas cosas
Es otra manera de establecer el principio de la conservación de la energía. Por ejemplo, si se agregan 100 J de calor a un sistema determinado, y este realiza un trabajo externo equivalente a 30 J, los 70 J restantes han producido un aumento en su energía interna.
Ejemplos de procesos capaces de liberar energía térmica
Hay muchas formas de obtener energía térmica. Entre las más importantes destacan:
La fricción
Este es un proceso muy familiar, es sabido que al frotar los objetos aumenta su temperatura. En efecto, cuando hay movimiento relativo entre dos superficies, la fuerza de fricción realiza un trabajo no conservativo, lo que da como resultado un calentamiento de las superficies, a causa de la energía térmica que fluye entre ellas. A nivel microscópico aumenta la vibración de las moléculas superficiales, y con ello su energía cinética.
La combustión
Otra manera de obtener energía térmica es mediante los procesos de combustión, para los cuales se requiere la presencia del oxígeno. En estas reacciones ocurre el intercambio de electrones entre el oxígeno y el material combustible, que puede ser madera, carbón u otro, produciendo luz y calor en el proceso.
La fusión nuclear
Este proceso ocurre en el interior de las estrellas como el Sol, allí el hidrógeno se fusiona para crear helio, liberando grandes cantidades de energía térmica y luz.
Reacciones químicas
Hay reacciones químicas que liberan calor, llamadas reacciones exotérmicas. La combustión antes descrita forma parte de este tipo de reacciones, así como la formación del amoníaco, entre muchas otras.
El paso de la corriente eléctrica
Siempre que la corriente eléctrica atraviesa un material, este se calienta. A este efecto se lo conoce como efecto Joule.
Decaimiento radiactivo
Ciertos elementos pesados son inestables y para lograr la estabilidad sus núcleos emiten partículas, a estos procesos se los conoce como decaimiento radiactivo y vienen acompañados por la emisión de calor.
Ejercicio práctico
Calcular el aumento de temperatura que experimenta el agua en una catarata de 500 m de altura, suponiendo que la energía cinética adquirida por el agua se convierte completamente en energía térmica al llegar a la base.
Respuesta
La cantidad de calor ΔQ necesaria para modificar la temperatura de una cierta cantidad de agua es proporcional a:
-La masa “m” del agua
-El cambio en la temperatura ΔT
La constante de proporcionalidad es la capacidad calorífica del agua “c”, que es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1kg de agua en 1ºC:
c = 4186 J/kg∙ºC
De esta forma se puede expresar ΔQ como:
ΔQ = m∙c∙ ΔT
El enunciado afirma que toda la energía cinética adquirida por el agua se convierte en energía térmica en la base de la catarata, pero esta energía cinética se obtuvo por conversión de la energía potencial gravitatoria U:
U = m∙g∙ h
Donde h es la altura desde la que cae el agua y g es la aceleración de la gravedad. Ahora solo resta igualar ambas expresiones:
ΔQ = U
m∙c∙ ΔT = m∙g∙ h
La masa del agua se cancela, no es necesario conocerla para despejar ΔT, que es lo se pide obtener:
\(\Delta T=\frac{g\cdot h}{c}=\frac{9.8m/{{s}^{2}}\times 500m}{4186J/kg\cdot {}^\text{o}C}=1.17{}^\text{o}C\)
Al llegar a la base de la catarata, el agua aumentó su temperatura en 1.17ºC.
Trabajo publicado en: Abr., 2021.