Energía Térmica: Conceptos Básicos y Transferencia de Calor

El Calor

El calor es una forma de energía que puede convertirse en otras formas de energía y, recíprocamente, otras formas de energía pueden convertirse en calor. Se define como energía en transmisión de un cuerpo a otro como resultado de una diferencia de temperatura entre ambos.

Materia y Moléculas

La materia está compuesta de moléculas. Se supone que las moléculas que forman una sustancia se mantienen en su posición por fuerzas de atracción mutua, conocidas como cohesión. Existe un cierto espacio entre ellas y tienen una libertad relativa para moverse. La vibración o movimiento puede determinarse por la cantidad de energía que poseen.

Energía Interna

Cuando un cuerpo tiene energía mecánica debido a su velocidad, posición o configuración, tiene también energía interna como resultado de la velocidad, posición y configuración de las moléculas de los materiales que forman el cuerpo. Las moléculas de un material cualquiera pueden poseer energía de ambos tipos: cinética o potencial.

• Energía cinética interna: es la energía de movimiento molecular, o velocidad. Cuando fluye energía térmica en un material, se aumenta su energía cinética interna, y la velocidad o movimiento de las moléculas aumenta. El aumento de velocidad molecular provoca un aumento en la temperatura del material.
• Energía potencial interna: es la energía de separación molecular o configuración. Es la energía que tienen las moléculas como resultado de su posición relativa. Mientras mayor sea el grado de separación molecular, mayor será la energía potencial interna. Cuando un material se dilata o cambia su estado físico por la adición de energía, tiene lugar una redisposición de las moléculas, que aumenta la distancia entre ellas. Esta energía se almacena en el material en forma de energía interna.

La energía total de un material es la suma de su energía cinética y su energía potencial interna. E_i = E_c + E_p

El Efecto del Calor sobre el Estado de Agregación

Muchos materiales, bajo condiciones de presión y temperatura apropiadas, pueden existir en cualquiera de las formas físicas de la materia. El aumento o disminución de calor puede producir un cambio en el estado físico del material, así como un cambio en su temperatura.

Estado Sólido

Un material en estado sólido tiene una cantidad relativamente pequeña de energía potencial interna. Las moléculas se encuentran unidas por las fuerzas atractivas y por la gravedad. Un sólido tiende a retener tanto sus dimensiones como su forma. El sólido no es compresible y ofrece una resistencia considerable a cualquier esfuerzo que le haga cambiar su forma.

Estado Líquido

Las moléculas en estado líquido tienen más energía que en el estado sólido y no están sujetas tan rígidamente. Su mayor energía les permite vencer las fuerzas de atracción, con lo que tienen mayor libertad de movimiento. Aun cuando un líquido no es compresible y mantiene su tamaño, debido a su estructura molecular fluida, no retendrá su forma, sino que tomará la del recipiente que lo contenga.

Estado Gaseoso o Vapor

Las moléculas de un material en estado gaseoso tienen una gran cantidad de energía, mayor que las de un material en estado líquido. Tienen energía suficiente para vencer las fuerzas de atracción. Es fácilmente compresible y llenará completamente un recipiente, independientemente del tamaño. Además, si el gas no se almacena en un recipiente cerrado, escapará de este y se difundirá en el aire que lo rodea.

Temperatura

La temperatura es una propiedad de la materia. Es una medida del nivel de intensidad calorífica o presión de un cuerpo.

Termómetro

El termómetro es el instrumento que se utiliza para medir la temperatura. La operación de la mayor parte de los termómetros depende de la propiedad que tiene un líquido de dilatarse o contraerse al aumentar o disminuir la temperatura. Los líquidos más empleados son el mercurio y el alcohol.

Temperatura Absoluta

Cuando las lecturas de la temperatura se aplican a ecuaciones que tratan con ciertas leyes fundamentales, es necesario utilizar lecturas de temperatura cuyo punto de referencia es el cero absoluto o verdadero de temperatura. El cero absoluto es el punto de temperatura en el que la materia carece de energía.

Dirección y Rapidez del Flujo Calorífico

El calor pasa de un cuerpo a otro cuando solo existe una diferencia de temperatura entre los dos cuerpos. Si la temperatura de los dos cuerpos es la misma, no hay transferencia de calor. El calor siempre fluye de un cuerpo caliente a uno frío, y nunca en dirección opuesta. La rapidez de la transferencia de calor entre dos cuerpos siempre es directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre ellos.

Métodos de Transferencia de Calor

• Conducción: la transferencia de calor por conducción se presenta cuando se transmite energía por contacto directo entre las moléculas de un cuerpo con las de otro. Las moléculas calentadas comunican su energía a las otras que se encuentran directamente adyacentes a ellas. La rapidez de la transferencia de calor por conducción está en proporción directa con la diferencia de temperatura de los elementos que se ponen en contacto. No todos los materiales conducen calor con la misma rapidez; algunos materiales, como los metales, conducen calor muy rápidamente, mientras que otros, como el cristal, la madera y el corcho, ofrecen una resistencia considerable a la conducción de calor. La capacidad relativa de conducción de calor se conoce como conductividad térmica. Los materiales que son buenos conductores de calor tienen una alta conductividad térmica y los malos conductores tienen una baja conductividad. Los sólidos conducen calor mejor que los líquidos y estos mejor que los gases. Puesto que las moléculas de un gas se encuentran muy separadas, la transferencia de calor por conducción, esto es, de molécula en molécula, es difícil.