Conceptos Esenciales de la Energía Térmica y la Transferencia de Calor
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Teoría Cinético-Molecular: Fundamentos de la Materia
Según la teoría cinético-molecular, los átomos y las moléculas están en continuo movimiento. Las partículas de los sólidos vibran con un ligero movimiento. En los líquidos, el movimiento aumenta, deslizándose unas partículas sobre otras. En los gases, las partículas chocan caóticamente y mantienen una gran separación entre ellas. Se puede afirmar, por lo tanto, que las partículas poseen energía cinética debido a su movimiento.
La suma de las energías cinéticas de todas las partículas que conforman un sistema material se denomina energía térmica. La energía térmica aumenta con el movimiento (velocidad) de las partículas y con el número de partículas que conforman el sistema (masa).
La Temperatura: Medida de la Energía Térmica
La temperatura es una magnitud escalar que mide la energía cinética media con la que se mueven las partículas de un sistema material. También puede definirse como la magnitud que mide la energía térmica de un sistema. Para la teoría cinético-molecular, a medida que aumenta la temperatura de un sistema, aumenta la velocidad a la que se mueven sus partículas.
La temperatura puede medirse en varias unidades diferentes:
- La unidad del SI de temperatura es el Kelvin (K).
- Una unidad muy común y la más utilizada en la vida cotidiana es el grado Celsius (ºC).
La relación entre ambas escalas es:
T (K) = T(ºC) + 273
La escala Kelvin es la escala absoluta de temperatura. Esto significa que no existen temperaturas negativas en esta escala, debido a la existencia del cero absoluto (0 K = -273 ºC). A esta temperatura, las partículas de los sólidos permanecen inmóviles, careciendo por completo de energía térmica. Es imposible alcanzar una temperatura inferior a este valor.
El Calor: Transferencia de Energía Térmica
El calor es una forma de intercambio de energía que se produce debido a la diferencia de temperaturas entre cuerpos. Siempre fluye en el mismo sentido: desde los cuerpos con mayor temperatura hacia aquellos con menor temperatura. El intercambio de energía finaliza cuando ambos cuerpos alcanzan la misma temperatura. Este punto se conoce como equilibrio térmico.
Mecanismos de Propagación del Calor
El calor puede transferirse de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor de tres formas diferentes:
Por Conducción
Es la forma de propagación predominante en los cuerpos sólidos. El calor se transmite por el interior de un sólido debido a que el aumento de la vibración de las partículas se transmite progresivamente a lo largo del material.
Por Convección
Es la forma de propagación característica de los fluidos (líquidos y gases). Dado que las partículas de los fluidos pueden desplazarse libremente, el calor se propaga a través del movimiento de estas. Esto genera corrientes de convección: las masas de fluido más calientes (menos densas) ascienden, mientras que las más frías (más densas) descienden.
Por Radiación
Es una forma de propagación que presentan todos los cuerpos por el hecho de tener temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura de un cuerpo, mayor será la energía que emite. Es la única forma de propagación que puede transmitirse en el vacío.
Dilatación Térmica: Efecto del Calor en los Materiales
La mayoría de los sólidos y líquidos aumentan su volumen y longitud al incrementar su temperatura. Este fenómeno se conoce como dilatación térmica.