Energía térmica

El término " energía térmica " se utiliza a menudo de forma ambigua en física e ingeniería. ^[1] Puede denotar varios conceptos físicos diferentes, entre ellos:

Energía interna : La energía total contenida dentro de un cuerpo de materia o radiación.
Calor : Energía en transferencia entre un sistema y su entorno por mecanismos distintos al trabajo termodinámico y la transferencia de materia.
La energía característica $k B T$ asociada con un solo grado de libertad microscópico, donde $T$ denota la temperatura y $k B$ denota la constante de Boltzmann .

Mark Zemansky (1970) ha sostenido que es mejor evitar el término “energía térmica” debido a su ambigüedad. Sugiere utilizar términos más precisos como “energía interna” y “calor” para evitar confusiones. ^[1] Sin embargo, el término se utiliza en algunos libros de texto. ^[2]

Relación entre el calor y la energía interna

En termodinámica , el calor es la energía que se transfiere hacia o desde un sistema termodinámico por mecanismos distintos del trabajo termodinámico o la transferencia de materia, como la conducción, la radiación y la fricción. ^[3]^[4] El calor se refiere a una cantidad que se transfiere entre sistemas, no a una propiedad de ningún sistema en particular, o "contenida" dentro de él; por otro lado, la energía interna y la entalpía son propiedades de un solo sistema. El calor y el trabajo dependen de la forma en que se produce una transferencia de energía. Por el contrario, la energía interna es una propiedad del estado de un sistema y, por lo tanto, se puede entender sin saber cómo llegó allí la energía. ^[5]

Energía térmica macroscópica

Además de las energías cinéticas microscópicas de sus moléculas, la energía interna de un cuerpo incluye la energía química perteneciente a moléculas distintas y la energía potencial conjunta global involucrada en las interacciones entre moléculas y similares. ^[6] La energía térmica puede considerarse como una contribución a la energía interna o a la entalpía.

Energía química interna

La energía interna de un cuerpo puede cambiar en un proceso en el que la energía potencial química se convierte en energía no química. En un proceso de este tipo, el sistema termodinámico puede cambiar su energía interna realizando trabajo sobre su entorno o ganando o perdiendo energía en forma de calor. No es del todo lúcido decir simplemente que "la energía potencial química convertida simplemente se ha convertido en energía interna". Sin embargo, a veces es conveniente decir que "la energía potencial química se ha convertido en energía térmica". Esto se expresa en el lenguaje tradicional ordinario hablando de "calor de reacción" . ^[7]

Energía potencial de interacciones internas

En un cuerpo de material, especialmente en materia condensada, como un líquido o un sólido, en el que las partículas constituyentes, como moléculas o iones, interactúan fuertemente entre sí, las energías de tales interacciones contribuyen en gran medida a la energía interna del cuerpo. Sin embargo, no son inmediatamente evidentes en las energías cinéticas de las moléculas, como se manifiestan en la temperatura. Tales energías de interacción pueden considerarse como contribuciones a las energías potenciales microscópicas internas globales del cuerpo. ^[8]

Energía térmica microscópica

En una explicación mecánica estadística de un gas ideal , en el que las moléculas se mueven independientemente entre colisiones instantáneas, la energía interna es simplemente la suma total de las energías cinéticas de las partículas independientes del gas , y es este movimiento cinético el que constituye la fuente y el efecto de la transferencia de calor a través de los límites de un sistema. Para un gas que no tiene interacciones entre partículas excepto en el caso de colisiones instantáneas, el término "energía térmica" es efectivamente sinónimo de " energía interna ". ^[9]

En muchos textos de física estadística , "energía térmica" se refiere a , el producto de la constante de Boltzmann y la temperatura absoluta , también escrita como . ^[10]^[11]^[12]^[13] ${\estilo de visualización kT}$ $estilo de visualización k_{\text{B}}T}$

Densidad de corriente térmica

Cuando no hay un flujo de materia acompañante, el término "energía térmica" también se aplica a la energía transportada por un flujo de calor. ^[14]

Véase también

Referencias

^ ab Zemansky, Mark W. (1970-09-01). "El uso y mal uso de la palabra "calor" en la enseñanza de la física". El profesor de física . 8 (6): 295–300. Bibcode :1970PhTea...8..295Z. doi :10.1119/1.2351512. ISSN 0031-921X.
^ Por ejemplo: Knight, Randall Dewey (2008). Física para científicos e ingenieros . San Francisco: Pearson Addison Wesley. ISBN. 978-0-8053-2736-6.OCLC 148732206 .
^ Bailyn, M. (1994). Un estudio de la termodinámica , American Institute of Physics Press, Nueva York, ISBN 0-88318-797-3 , pág. 82.
^ Born, M. (1949). Filosofía natural de la causa y el azar, Oxford University Press, Londres, pág. 31.
^ Robert F. Speyer (2012). Análisis térmico de materiales . Ingeniería de materiales. Marcel Dekker, Inc. p. 2. ISBN 978-0-8247-8963-3.
^ Baierlein, R. (1999). Física térmica. Cambridge University Press. pp. 8 –. ISBN 978-0-521-65838-6.
^ Anderson, GM (2005). Termodinámica de sistemas naturales , 2.ª edición, Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-84772-8 , página 7: "También observamos que cualquier tipo de energía que se esté reduciendo (la llamamos "energía química"), no es simplemente energía térmica".
^ Baierlein, R. (1999). Física térmica. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-65838-6.página 8: "energía potencial intermolecular (de origen principalmente eléctrico)".
^ Kittel, Charles (2012). Física estadística elemental . Courier Corporation . pág. 60. ISBN. 9780486138909.
^ Reichl, Linda E. (2016). Un curso moderno de física estadística . John Wiley and Sons . pág. 154. ISBN. 9783527690466.
^ Kardar, Mehran (2007). Física estadística de partículas . Cambridge University Press . pág. 243. ISBN. 9781139464871.
^ Feynman, Richard P. (2000). "Las máquinas de computación en el futuro". Artículos selectos de Richard Feynman: con comentarios . World Scientific . ISBN 9789810241315.
^ Feynman, Richard P. (2018). Mecánica estadística: un conjunto de conferencias . CRC Press . pág. 265. ISBN. 9780429972669.
^ Ashcroft, Neil ; Mermin, N. David (1976). Física del estado sólido . Harcourt . pág. 20. ISBN 0-03-083993-9Definimos la densidad de corriente térmica como un vector paralelo a la dirección del flujo de calor, cuya magnitud da la energía térmica por unidad de tiempo que atraviesa una unidad de área perpendicular al flujo. ${\bf {j}}^{q}$