Energía Térmica y Calor.

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Calor y Temperatura entre los diferentes cuerpos.

La energía térmica es la forma de energía que interviene en los fenómenos caloríficos. Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el caliente comunica energía al frío; el tipo de energía que se cede de un cuerpo a otro como consecuencia de una diferencia de temperaturas es precisamente la energía térmica.

Según el enfoque característico de la teoría cinético–molecular, la energía térmica de un cuerpo es la energía resultante de sumar todas las energías mecánicas asociadas a los movimientos de las diferentes partículas que lo componen. Se trata de una magnitud que no se puede medir en términos absolutos, pero es posible, sin embargo, determinar sus variaciones. La cantidad de energía térmica que un cuerpo pierde o gana en contacto con otro a diferente temperatura recibe el nombre de calor. El calor constituye, por tanto, una medida de la energía térmica puesta en juego en los fenómenos caloríficos.

Una comparación con la hidráulica permite aclarar las diferencias entre los conceptos de temperatura, calor y energía térmica. Se dispone de dos
recipientes cilíndricos de igual altura situados en una mesa horizontal, la superficie de cuyas bases están en la relación de uno a diez. Se trata de un vaso y de una probeta. Si se llena completamente de agua la probeta y el vaso solo hasta la mitad, debido a su distinta capacidad, el primer recipiente contendrá cinco veces menos agua que el segundo.
A pesar de ello, si se conectaran entre sí mediante un tubo de goma, el agua fluiría de la probeta al vaso y no al revés. La transferencia de agua de un recipiente al otro se ha llevado a cabo en virtud no del volumen almacenado, sino del nivel alcanzado por el agua en cada uno de ellos antes de comunicarlos.

En el caso de los fenómenos caloríficos la transferencia de energía térmica se produce de un modo semejante, puesto que esta se cede no del cuerpo que almacena más energía térmica al cuerpo que almacena menos, sino del de mayor al de menor temperatura. La temperatura puede ser asimilada por tanto al nivel de energía térmica, y el calor puede ser comparado con la cantidad de agua que un recipiente cede al otro al comunicarlos entre sí.

“Calor es la energía que se transfiere entre dos cuerpos, debido a la diferencia de temperaturas entre ellos”

La energía térmica fluye del cuerpo con que se transfiere entre dos cuerpos, debido a la diferencia de temperaturas entre ellos

Supongamos que calentamos en la estufa un recipiente con agua. El quemador transfiere energía al agua y su energía interna aumenta. Es incorrecto (en Física) decir que el agua va teniendo más calor. En otro ejemplo, si en una recámara tenemos encendido en aire acondicionado y abrimos la puerta, es incorrecto decir que “se sale el frío”. Lo que sucede es que hay una transferencia de energía térmica del exterior hacia el interior de la recámara.
La interpretación, desde el punto de vista de la teoría cinética, puede facilitarse si se comparan las moléculas de los cuerpos con bolas en movimiento. Cuando dos cuerpos se ponen en contacto se produce una cesión de energía a nivel molecular. El cuerpo de mayor temperatura poseerá moléculas con mayor energía cinética que podrán ceder a las del cuerpo de menor temperatura, del mismo modo que una bola rápida que choca con una lenta la acelera; este tránsito de energía mecánica microscópica, cuyo efecto conjunto es el calor, se mantendrá en tanto aquellas no se igualen.

Utilizando de nuevo el símil de las canicas, un conjunto de treinta bolas que se mueven despacio no pueden ceder energía cinética por choques a una sola bola que se mueva más de prisa. Por el contrario, tras una colisión, la
bola única cedería energía a alguna o algunas del conjunto de treinta. La energía total del grupo es seguramente muy superior a la de la bola única, sin embargo y a efectos de transferencia, lo que cuenta es la energía media
por bola. Análogamente, si un vaso de agua hirviendo se arroja al mar a pesar de ser este un importante almacén de energía térmica, la cesión de calor se producirá del agua del vaso a la del mar y no al contrario.

La idea que sobre la temperatura introduce la teoría cinética al definirla como una medida de la energía cinética media de las moléculas, permite, pues, explicar por qué las transferencias de calor se producen siempre en el sentido de mayor a menor temperatura.

Unidades de calor

Dado que el calor es energía, sus unidades serán Joules (J), Ergios (Ergs)
o Libras-pie (lb·ft). Como ya sabemos, el Joule es la unidad aceptada en
el Sistema Internacional de Unidades.


Sin embargo, la primera unidad que se manejó fue la caloría, la cual se
define como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar un
grado Celsius
la temperatura de un gramo de agua pura, desde 14.5 ºC a
15.5 ºC, a una presión normal de una atmósfera.


La caloría grande o caloría-kilogramo, representa la energía calorífica
necesaria para elevar en un grado Celsius la temperatura de un kilogramo de agua. Esta definición corresponde a la kilocaloría propiamente dicha. Esta caloría se empleaba antiguamente en Biología, Medicina y Nutrición, y se le asignaba el símboloCal” (con C mayúscula) para diferenciarla de la caloría propiamente dicha, de símbolocal“.

Esta mala costumbre ya está prácticamente erradicada como
consecuencia de la rigurosa aplicación de las leyes referentes al
etiquetado de alimentos, al menos en los países más desarrollados. La
información que aparece en las etiquetas de los alimentos
es indicativa
del valor energético que poseen algunos alimentos y suele expresarse
en kcal/kg y en kJ/kg (kilocalorías o kilojulios por kilogramo de alimento), o también en raciones de 100 gramos o en las que correspondan a una dieta normal.

En el sistema inglés se utiliza mucho la Unidad Térmica Británica (BTU),
que es la cantidad de calor que se requiere para aumentar en un grado
Fahrenheit la temperatura
de una libra de agua.

Mediante un experimento William Thomson transfiere energía mecánica a un recipiente con agua logrando un aumento en la temperatura de esta, verificando que el calor es una forma de energía. Thomson obtuvo que la equivalencia entre la energía mecánica y la energía calorífica es la siguiente: 1 caloría = 4.18 Joules.


Ejemplo

Una muchacha se sirve 1 000 kcal en alimentos, los que luego quiere perder levantando pesas de 25 kg hasta una altura de 1.8 m. Calcula el número de veces que debe levantar las pesas para perder la misma cantidad de energía que adquirió en alimentos y el tiempo que debe de estar haciendo ejercicio.

Solución

Paso 1. Para perder las 1000 kcal, la muchacha debe realizar la misma cantidad de trabajo mecánico, es decir W=1000 kcal. Transformando este valor al SI.

W = (1000 kcal) (1000 cal/1 kcal) (4.186 J/1 cal)= 4.186×106 J

W = 4.186×106 J

Paso 2. Esta cantidad de trabajo que debe ser realizado levantando pesas de 25 kg. El trabajo en un solo levantamiento hasta 1.8 m.

W1 = m g h = (25 kg) (9.8 m/s2) (1.8 m)= 441 J

W1 = 441 J

Paso 3. Como el trabajo W1 debe ser realizado n veces hasta completar W, entonces W =nW1, despejando n.

n = W/W1 = 4.186×106 J/441 J = 9,492 veces

n = 9,492 veces

Paso 4. Supongamos que la muchacha es muy rápida para levantar pesas, tal que produce un levantamiento cada 5 segundos, entonces el tiempo total del ejercicio es:

t = (9,492) (5 s) = (1 hr/3,600 s) = 13.2 hr

t = 13.2 hr

Bibliografía

  • Harita, Alfonso Bernardo. (2018). FISICA II Colegio de Bachilleres del Estado de Sonora, Segunda Edición. Hermosillo, Sonora, México. Impreso en México. (Copyright© 2012).
  • Llamas Casoluengo, Luz del Carmen. FISICA II Telebachillerato Comunitario. Ciudad de México. Impreso en México. D.R. Secretaría de Educación Pública, 2015 ©.




Kendor Emmanuel O´Shelly Parada

Kendor Emmanuel O´Shelly Parada

Ingeniero en Geociencias, Docente