Energía térmica para niños

La energía térmica o energía calorífica es una parte de la energía interna de un sistema. Esta energía está relacionada con la temperatura absoluta de un objeto y puede aumentar o disminuir cuando se transfiere energía, usualmente como calor o trabajo mecánico, en procesos termodinámicos.

¿Qué es la energía térmica?

La energía térmica es la energía total que tienen las partículas (átomos y moléculas) de un objeto debido a su movimiento y a las fuerzas entre ellas. Imagina que todas las partículas de un objeto están en constante movimiento: vibrando, girando y moviéndose de un lado a otro. La suma de la energía de todos esos movimientos es la energía térmica.

Cuando dos objetos con diferentes temperaturas se tocan, la energía térmica se transfiere del objeto más caliente al más frío. Esto continúa hasta que ambos objetos alcanzan la misma temperatura, un estado que llamamos equilibrio térmico. Por ejemplo, si pones un hielo en un vaso de agua, el calor del agua se transfiere al hielo, haciendo que se derrita y enfriando el agua, hasta que todo el sistema alcanza una temperatura uniforme.

Origen del concepto de energía térmica

El concepto de "energía" fue mencionado por primera vez por Thomas Young en 1809. Más tarde, en 1852, Lord Kelvin propuso usarlo en el estudio del calor y el movimiento. La idea de "energía interna" y su símbolo aparecieron en los trabajos de Rudolph Clausius y William Rankine a mediados del siglo XIX. Con el tiempo, este término reemplazó a otros como "trabajo interior" o "energía intrínseca". James Prescott Joule también hizo importantes contribuciones al definir el calor latente y el calor sensible.

Energía interna: el corazón de la energía térmica

La energía térmica es, en esencia, la energía interna de un sistema. Esta energía interna es la suma de la energía cinética (energía de movimiento) de todas las partículas que forman el sistema, más la suma de todas las energías potenciales (energía almacenada debido a la posición o interacción) entre ellas.

Es importante saber que la energía interna es una forma de energía a nivel microscópico. Esto significa que se relaciona con cómo se mueven y se organizan las moléculas dentro de un sistema, y no depende de si el objeto se mueve o está en una posición elevada en el espacio. Por ejemplo, un vaso de agua tiene energía interna, sin importar si está quieto sobre una mesa o si lo estás llevando en un coche.

Movimiento de las partículas y la temperatura

Según la teoría atómica, la energía térmica es la energía de las moléculas que se mueven rápidamente. Cuando la temperatura de un objeto sube, significa que la energía cinética promedio de sus moléculas ha aumentado. Es como si las moléculas se movieran más rápido y con más fuerza.

A nivel atómico, la energía interna no solo incluye la energía de movimiento de las moléculas, sino también la energía potencial que tienen debido a cómo están ubicados los átomos dentro de las moléculas.

La Primera Ley de la Termodinámica

La energía interna de un sistema puede cambiar. Si se añade calor () a un sistema y este no realiza ningún trabajo, la energía interna aumenta en la misma cantidad que el calor añadido. Si el sistema realiza trabajo () (por ejemplo, expandiéndose) y no se añade calor, la energía interna disminuye.

Cuando hay tanto transferencia de calor como trabajo, el cambio total en la energía interna () se calcula con la siguiente fórmula:

Esto significa que si se añade calor a un sistema, una parte de esa energía se queda en el sistema (cambiando su energía interna) y el resto sale del sistema cuando este realiza trabajo. La Primera Ley de la Termodinámica es una forma de decir que la energía siempre se conserva, es decir, no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Tipos de energía microscópica

Para entender mejor la energía interna, podemos verla a nivel molecular. Las moléculas de un gas, por ejemplo, se mueven de varias maneras:

• Energía de traslación: Es la energía de las moléculas que se mueven de un lugar a otro.
• Energía de rotación: Es la energía de las moléculas que giran sobre sí mismas.
• Energía de vibración: Es la energía de los átomos dentro de una molécula que vibran como si estuvieran unidos por resortes.

La suma de estas energías cinéticas de las moléculas se llama energía sensible. Cuanto mayor sea la temperatura de un gas, más rápido se mueven sus moléculas y mayor será su energía sensible.

Además de estas energías de movimiento, la energía interna también incluye la energía relacionada con las fuerzas que unen a las moléculas entre sí, a los átomos dentro de una molécula y a las partículas dentro de un átomo.

• Energía latente: Es la energía relacionada con los cambios de fase, como cuando un sólido se convierte en líquido o un líquido en gas. Para que esto ocurra, se necesita energía para vencer las fuerzas que mantienen unidas a las moléculas.
• Energía química: Es la energía relacionada con los enlaces entre los átomos en una molécula. Durante una reacción química, estos enlaces se rompen y se forman nuevos, lo que cambia la energía interna.
• Energía nuclear: Es la enorme cantidad de energía relacionada con las fuerzas que mantienen unidas a las partículas dentro del núcleo de un átomo.

Energía interna de un gas ideal

En un gas ideal, que es un modelo simplificado de gas, la energía cinética de traslación de sus moléculas está directamente relacionada con su temperatura absoluta. La fórmula para la energía interna de un gas ideal simple es:

Donde es la cantidad de gas, es una constante y es la temperatura. Esto significa que la energía interna de un gas ideal solo depende de su temperatura y de la cantidad de gas, no de su presión o volumen.

Diferencias clave: temperatura, calor y energía interna

Es fácil confundir estos términos, pero son diferentes:

• Temperatura: Es una medida del promedio de la energía cinética de las moléculas individuales. Nos dice qué tan "caliente" o "frío" está algo.
• Energía interna: Se refiere a la energía total de todas las moléculas dentro de un objeto. Dos objetos de la misma masa y temperatura tienen la misma energía interna por unidad de masa, pero si uno es el doble de grande, tendrá el doble de energía interna total.
• Calor: Es la transferencia de energía de un objeto a otro debido a una diferencia de temperatura. El calor siempre fluye del objeto más caliente al más frío. Por ejemplo, si mezclas agua caliente con agua fría, el calor fluirá del agua caliente a la fría, aunque la cantidad de agua fría sea mayor.

También es importante distinguir entre la energía cinética de un objeto completo (como un coche moviéndose) y la energía cinética de sus moléculas (que es parte de la energía interna). La energía de un objeto en movimiento es organizada, mientras que la energía de las moléculas es aleatoria y desorganizada.

¿Cómo se transfiere la energía térmica?

Hay tres formas principales en que la energía térmica se mueve de un lugar a otro:

• Conducción: Es la transferencia de calor a través del contacto directo. Ocurre cuando las partículas de un objeto chocan con las partículas de otro, pasándoles energía. Por ejemplo, cuando tocas una cuchara caliente que está en una sopa.
• Convección: Es la transferencia de calor a través del movimiento de un fluido (líquido o gas). Las partes más calientes del fluido se vuelven menos densas y suben, mientras que las partes más frías y densas bajan, creando un ciclo. Un ejemplo es el agua hirviendo en una olla.
• Radiación: Es la transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas, como la luz. No necesita un medio para viajar, por eso sentimos el calor del Sol, aunque hay vacío entre nosotros y él.

En la mayoría de las situaciones, estos tres mecanismos de transferencia de calor ocurren al mismo tiempo, aunque uno puede ser más importante que los otros. La ley de enfriamiento de Newton explica que la velocidad a la que un cuerpo se enfría es más o menos proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y su entorno.

Galería de imágenes

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  La temperatura de un gas ideal monoatómico es una medida relacionada con la energía cinética promedio de sus moléculas al moverse. En esta animación, la relación del tamaño de los átomos de helio respecto a su separación se conseguiría bajo una presión de 1950 atmósferas. Estos átomos a temperatura ambiente tienen una cierta velocidad media (aquí reducida dos billones de veces).

Véase también

En inglés: Thermal energy Facts for Kids

• Almacenamiento de energía térmica
• Calor específico
• Máquina térmica
• Termodinámica
• Temperatura
• Calorímetro
• Energía calorífica
• Radiación térmica
• Transferencia de calor