Intercambio de energía térmica

Temperatura y energía térmica

Ya sabemos que la energía térmica se debe al movimiento de las partículas que forman la materia y que la temperatura es una propiedad, medida por los termómetros, que permite diferenciar cuerpos calientes y fríos. ¿Qué relación hay entre estas magnitudes?

Fijémonos en la escena de la derecha y tratemos de contestarnos las siguientes preguntas: ¿Tienen todas las partículas del gas la misma energía? ¿Qué ocurre después de subir o bajar la temperatura (arrastrando el punto rojo) en las partículas del gas? Reflexionando sacarás las siguientes conclusiones:

· A una temperatura determinada las partículas de un cuerpo tienen diferentes energías (se mueven a diferentes velocidades).

· Cuando la temperatura asciende, el conjunto de las partículas se mueven más rápido (tienen más energía), aunque algunas pueden seguir siendo muy lentas.

· Cuando la temperatura desciende, el conjunto de las partículas se mueve más lentamente (tienen menos energía), aunque algunas se muevan algo más rápidamente.

· Estas ideas son ciertas independientemente del número de partículas.

En la escena observamos un gas encerrado en un recipiente y un termómetro que nos marca su temperatura. Cada partícula del gas va acompañada de su vector velocidad correspondiente.

Cuando la velocidad es pequeña, los vectores velocidad adquieren la forma de letras “v” indicando la dirección del movimiento.

Obviamente, si la temperatura, y por lo tanto la velocidad media de las partículas, es alta, los choques de las partículas con las paredes son más violentos y el gas ejercerá más presión.

Aunque no podamos medir directamente la velocidad de las partículas, su presión y la temperatura son sus indicadores macroscópicos.

Calor y energía térmica

Cuando un cuerpo aumenta su energía térmica se está calentando, es decir recibiendo calor. Cuando un cuerpo disminuye su energía térmica se está enfriando, es decir, perdiendo calor. De esta forma, el calor no es más que una forma de denominar a los aumentos y pérdidas de energía térmica.

El calor puede provenir de una conversión de una energía en otra. En la escena de abajo el calor proviene de la energía química (por combustión). A medida que pasa el tiempo la energía producida por el mechero es absorbida como calor, invirtiéndose en aumentar la energía térmica del gas y, por tanto, su energía térmica media que se reflejará en un aumento de la temperatura observable.

En esta escena utilizamos unidades arbitrarias de calor y energía media porque, dado el gran número de partículas que componen el gas, la energía por partícula es tan pequeña que no resulta interesante medirla en unidades del S.I. Aún así, podemos concluir que:

El calor es la variación de la energía térmica de un cuerpo.

Por lo tanto, el calor no es una magnitud independiente que se pueda “almacenar” en los cuerpos. La magnitud que aumenta o disminuye en un cuerpo es su energía térmica y estas variaciones se reflejarán en la variación de la temperatura.

Más adelante veremos una excepción, un caso en que la absorción de energía en forma de calor no produce una variación de temperatura, aunque sí se traduzca en una variación de la energía interna de un cuerpo.

Otro aspecto interesante que debemos señalar es la dificultad de medir la energía térmica media de las partículas de un cuerpo de forma directa. Para poder medirla de alguna forma necesitamos recurrir a alguna propiedad macroscópica relacionada con ella, como la longitud de la columna de mercurio de un termómetro.

En la escena, un gas se calienta por la acción de un mechero. A medida que pasa el tiempo, el mechero habrá producido más energía que se absorberá por el gas en forma de calor, aumentando su energía térmica media, es decir, su temperatura.

Calor y temperatura

En la escena de abajo calentamos un recipiente con una cantidad medida de agua. Si registramos la temperatura en diferentes momentos, podemos obtener una curva de calentamiento como la que observamos debajo de la anterior.

En la gráfica resulta evidente que en el tramo de temperaturas observado, la temperatura varía proporcionalmente con el tiempo. Por lo tanto, suponiendo que la fuente de calor ha actuado de forma similar todo el tiempo, podremos decir que el calor absorbido por el agua es proporcional a la variación de su temperatura.

De esta experiencia podemos extraer una definición de la unidad de calor:

La caloría es el calor que hay que suministrar a 1g de agua para que aumente 1 ºC su temperatura.

En realidad, la definición oficial describe la caloría como: la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua destilada de 14,5º a 15,5 º a nivel del mar (una atmósfera de presión).

En esta definición se tiene en cuenta que el ascenso de la temperatura con el tiempo no es exactamente igual en todos los tramos de temperatura y que depende de factores como la pureza del agua (por eso debe usarse agua destilada) o la presión del aire.