Calor Energía

L a G r a n E n c i c l o p e d i a I l u s t r a d a d e l P r o y e c t o S a l ó n H o g a r

Calor, Energía Interna y Trabajo

Fenómenos térmicos.
Cuando tenemos frío en nuestras manos podemos hacer dos cosas para calentarlas, una de ellas, es acercarlas a un objeto que esté más caliente que nosotros y otra, frotar las manos entre si. En el primer caso, el calentamiento se produce por el contacto o la cercanía de un objeto más caliente que nosotros mismos, pero en el segundo caso, no hay objetos más calientes que nosotros, son nuestras manos a la misma Temperatura.

De manera similar podemos calentar un clavo de dos formas distintas: o metiéndolo en el fuego o golpeándolo con un martillo. En un caso el clavo es calentado por algo más caliente que él y en el otro por los golpes o por fricción entre las partes. En el lenguaje común se habla de Calor suministrado en ambos casos; sin embargo, en el lenguaje de la Física la descripción se hace con el concepto de energía. Según esta visión, todos los cuerpos tienen una energía, llamada energía interna, que puede ser alterada interactuando con su entorno; cuando la interacción ocurre por contacto con un cuerpo más caliente o más frío se habla de energía calórica, y cuando ocurre por fricción o por golpes con otro objeto material, como el caso del martillo y el clavo, se habla de energía mecánica o trabajo .

La imagen animada ilustra, en forma aproximada, como ocurre el intercambio de energía cuando dos cuerpos están a diferentes temperaturas. El color naranja está asociado con una temperatura más alta que el color verde. El color amarillo representa una temperatura intermedia alcanzada por los dos cuerpos después de intercambiar energía calórica y obtener el equilibrio térmico (igual temperatura)

En el lenguaje común se habla del Calor suministrado en ambos casos, sin dar ninguna explicación sobre la naturaleza del Calor pero como se dice en la Evolución Histórica del Concepto de Calor , este concepto ha experimentado cambios en el ámbito de la Física, pasando a formar parte de un lenguaje diferente, el lenguaje de la energía: Según esta visión, en ambos casos los cuerpos que interactúan intercambian energía, produciéndose cambios en la temperatura a consecuencia de ellos.

En este tipo de fenómenos, denominados térmicos debido a la importancia que tiene la temperatura en ellos, es necesario definir una magnitud física llamada energía interna, para describir en forma coherente lo que ocurre.

¿Qué es la Energía Interna?
Para comprender los fenómenos térmicos es necesario imaginar los cuerpos materiales como almacenes de partículas dotadas de movimiento de diferentes tipos: vibración, rotación y traslación. Cada uno de estos movimientos pueden ser transferidos a otra partícula que no lo tenga, mediante algún tipo de interacción, como por ejemplo choques o acciones ejercidas a distancia. Se dice en estos casos que las partículas tienen energía, la cual puede ser aumentada o disminuida, aumentando cualquiera de estos tipos de movimientos o todos a la vez.

Vibración	Rotación	Traslación

La Energía Total de un objeto material depende del número de partículas que tenga, de la energía cinética de cada una de ellas y de la energía proveniente de las interacciones entre ellas. Esta energía total es la Energía Interna que tiene el cuerpo.

Esto quiere decir que un objeto material tiene mucha energía interna por tres razones: o porque tiene muchas partículas o átomos componentes, o porque sus átomos o partículas componentes tienen una energía muy alta., o ambas cosas a la vez, como ocurre en el caso de una estrella.

Desde este punto de vista cuando calentamos un clavo ya sea con una vela o martillándolo, lo que se hace es incrementar la energía de sus partículas componentes, aumentando de esta manera su energía interna.

¿Qué es el Calor?

Cuando se transfiere energía de un cuerpo a otro porque las temperaturas de los cuerpos son diferentes se dice que se ha transferido energía calórica o calor. La energía calórica o calor fluye de los cuerpos más calientes hacia los más fríos. Para entender cómo ocurre esto, es necesario apoyarse en el concepto de Temperatura.

Actualmente se habla de calor en Física solamente en aquellos casos donde se transfiere energía por diferencia de temperatura, las otras situaciones donde se produce calentamiento hay que explicarlas sin uso del término calor, como es el caso del calentamiento del clavo por efecto del martilleo sobre él.

Variación de la energía interna efectuando trabajo mecánico. Otra forma de calentar o enfriar un cuerpo es por medio del trabajo mecánico, ejemplos de esto ocurren cuando nos frotamos las manos para calentarlas, cuando nos lanzamos por un tobogán largo, cuando se martilla un clavo, cuando se pule la superficie de un carro y un sin número de otras experiencias donde los cuerpos se calientan por el mero roce entre sus partes, pero en ninguno de esos casos, el calentamiento de los cuerpos ocurre por el contacto con una fuente a más alta temperatura.

Se habla de trabajo mecánico porque se aplica una fuerza sobre los cuerpos y se produce un desplazamiento de ellos a consecuencia de esa fuerza. El Trabajo mecánico se mide a través del producto de la componente de la fuerza que actúa en un cuerpo en la dirección del desplazamiento, multiplicada por el desplazamiento, es decir:

Trabajo = Fuerza D* Desplazamiento

Donde Fuerza D, es la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento.

Para entender cómo ocurre la transferencia de energía, es necesario imaginar las superficies de los cuerpos en contacto y pensar que las partículas o átomos de una superficie están interactuando con los átomos de la otra, transfiriéndose así el movimiento producido por las fuerzas que actúan sobre ambos materiales.
En estos casos la energía interna de ambos cuerpos aumenta porque aumentó su temperatura, es decir aumentó la energía de sus partículas, a consecuencia del roce entre los cuerpos.

Fenómenos relacionados con la Variación de Energía Interna.

Expansión o Dilatación térmica:
Cuando un cuerpo es calentado de cualquier forma ya sea mediante el trabajo o mediante el calor, se produce un incremento de la energía interna del cuerpo, que da lugar a que sus átomos o moléculas se alejen entre sí, produciendo una expansión del material en la mayoría de los casos y por consiguiente una disminución de su densidad, es decir una disminución de la masa del material por cada unidad de volumen ocupado.

En las siguientes figuras se muestran diferentes formas de mostrar la expansión térmica dependiendo del estado físico de la materia.


Dilatación de los Gases	Dilatación de los líquidos por el Calor	Dilatación lineal de una barra sólida

Convección
Cuando calentamos agua en una olla, el fondo de la olla es calentado por una fuente de energía térmica, transmitiendo esta energía al agua que está en contacto con él. Esta agua sube hacia la parte superior, mientras el agua fría que está en la parte superior baja hasta al fondo para ser calentada, este proceso continua hasta que toda el agua alcanza una temperatura igual y comienza a hervir

Un fenómeno similar ocurre con el aire de la atmósfera, el cual es calentado por la superficie de la Tierra cuando la energía proveniente del Sol incide sobre ella, originando así las llamadas corrientes térmicas o termales de la atmósfera en las que se apoyan algunas aves para ascender en el aire sin tener que agitar las alas.

El complejo sistema de vientos que existe en la atmósfera ocurre de manera similar.
A este tipo de movimiento se llama convección natural o simplemente movimiento convectivo. Ocurre en los fluidos (gases y líquidos), mientras se mantenga una diferencia de temperatura entre partes de él.

Conductividad Térmica. Si tomas un clavo de hierro largo por un extremo y la acercas al fuego, sentirás que al cabo de un pequeño lapso de tiempo se pondrá caliente en el extremo que estás sosteniendo.

Cuando se calienta un material, el incremento de la energía interna se propaga en el material, de la parte más caliente a la más fría y poco a poco se va calentando todo el material. En algunos materiales este movimiento de la energía ocurre con mayor rapidez que en otros, clasificándose los materiales en malos y buenos conductores de la energía térmica; en general, los buenos conductores de la electricidad son muy buenos conductores de la energía térmica.

Radiación.
La radiación es otra manera de aumentar la energía interna de un cuerpo o de disminuirla. Esta energía proviene de las cargas eléctricas que contienen los átomos en vibración, produciéndose una onda electromagnética que se propaga en el espacio y que transporta la energía. Es ésta la forma como nos llega energía del Sol o de las lámparas incandescentes, produciendo un incremento de la energía interna de los cuerpos que la reciben. Sin embargo no es exclusiva de estos cuerpos, pues todo cuerpo caliente emite energía en forma de radiación electromagnética, como ocurre con nosotros los humanos o los animales, la cual puede ser detectada por instrumentos especiales, como las gafas de visión nocturna para uso militar. La energía emitida por un cuerpo en forma de radiación depende de cuarta potencia de su temperatura absoluta y de la superficie del mismo.

Cambios de Estado.
Cuando se calienta agua hasta hacerla hervir se transforma en vapor de agua o cuando el hielo se calienta llega un momento en que empieza a derretirse y se transforma en agua líquida; en estos casos se dice que se ha producido un cambio de estado físico. Se habla de cambios de estado cuando la materia experimenta cambios en su estructura física.

No son estos los únicos cambios de estado que se pueden producir en la naturaleza, existen otros, como por ejemplo, el que experimenta el hielo seco que utilizan los carritos de helados para mantenerlos a baja temperatura; esta sustancia es dióxido de Carbono en estado sólido el cual se transforma a vapor a temperatura ambiente, cambio de estado conocido como sublimación.

Para provocar un cambio de estado es necesario suministrar o quitar energía, aumentando o disminuyendo la energía interna del objeto al cual se le va a producir el cambio de estado. La energía intercambiada altera la energía de las moléculas o átomos del material, modificando así su capacidad de moverse con más o menos libertad. La libertad de movimiento aumenta al pasar de estado sólido a líquido, de igual manera al pasar de líquido a gas y en los procesos inversos ocurre lo contrario. Cuando ocurre un cambio de estado la temperatura, es decir la energía promedio por átomo o molécula permanece constante mientras dure el proceso, la energía que se intercambie durante los cambios de estado, se emplea en alterar la fuerza con que se encuentran ligadas las moléculas unas con otras, aumentando o disminuyendo su libertad de movimiento.

Tipos de cambios de estado.

1) Fusión: Pasaje del estado sólido a líquido.
2) Solidificación: Pasaje del estado líquido a sólido.
3) Ebullición: Pasaje del estado líquido a vapor o gas.
4) Condensación: Pasaje de vapor a líquido.
5) Evaporación: desprendimiento de moléculas de una sustancia líquida en forma de vapor sin que la sustancia esté en el punto de ebullición.
6) Sublimación: pasaje de una sustancia en estado sólido a vapor.

Existen otros cambios en la estructura que son catalogados como cambios de fase que no son mencionados aquí por no estar dentro de los objetivos de este material.

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