Energía térmica
La energía térmica o energía calorífica es la parte de la energía interna de un sistema termodinámico en equilibrio que se proporciona a su temperatura absoluta y se incrementa o disminuye por transferencia de energía, generalmente en forma de calor o trabajo, en procesos termodinámicos En 1809 Thomas Young acuñó el término energía y en 1852 Lord Kelvin propuso su uso en termodinámica.
aparecieron por primera vez en los trabajos de Rudolph Clausius y William Rankine, en la segunda mitad del siglo XIX, y con el tiempo sustituyó a los términos trabajo interior, trabajo interno y energía intrínseca empleados habitualmente en esa época.
Por ejemplo, si se dejan caer carbones calientes en un recipiente con agua, la energía térmica se transferirá de los carbones al agua hasta que el sistema alcance una condición estable llamada equilibrio térmico.
[1] La energía cinética y potencial son formas microscópicas de energía, es decir, se relacionan con la estructura molecular de un sistema y el grado de la actividad molecular, y son independientes de los marcos de referencia externos; por ello es importante aclarar que la energía interna no incluye la energía potencial debida a la interacción entre el sistema y su entorno, por lo tanto, la energía interna de una sustancia no incluye la energía que esta puede poseer como resultado de su posición macroscópica o su movimiento.
De acuerdo con la teoría atómica, la energía térmica representa energía cinética de moléculas que se mueven rápidamente.
Al nivel atómico, sin embargo, la energía es parcialmente cinética y potencial, y las fuerzas correspondientes son conservativas.
a un sistema y este no realiza trabajo durante el proceso (por lo que
), la energía interna aumenta en una cantidad igual a
expandiéndose contra su entorno y no se agrega calor durante ese proceso, sale energía del sistema y disminuye la energía interna:
es cero y este no realiza trabajo durante el proceso (por lo que
; el resto sale del sistema cuando este efectúa un trabajo
Puesto que W y Q pueden ser positivos, negativos o cero,
puede ser positiva, negativa o cero para diferentes procesos.
[2] En el análisis termodinámico, con frecuencia es útil considerar dos grupos para las diversas formas de energía que conforman la energía total de un sistema: macroscópicas y microscópicas.
Las formas macroscópicas de energía son las que poseen un sistema como un todo en relación con cierto marco de referencia exterior, como las energías cinética y potencial.
Para comprender mejor la energía interna, los sistemas se examinan a nivel molecular.
Los átomos de las moléculas poliatómicas rotan respecto a un eje y la energía relacionada con esta rotación es la energía cinética de rotación.
Para los gases, la energía cinética se debe sobre todo a los movimientos de traslación y rotación, en los que el movimiento vibratorio se vuelve significativo a altas temperaturas.
Los electrones en un átomo giran en torno al núcleo y, por lo tanto, poseen energía cinética rotacional.
Los electrones de órbitas exteriores tienen energías cinéticas más grandes.
La velocidad promedio y el grado de actividad de las moléculas son proporcionales a la temperatura del gas, por lo que a temperaturas más elevadas las moléculas poseen energías cinéticas superiores y, como consecuencia, el sistema tiene una energía interna más alta.
Las fuerzas que unen a las moléculas entre sí son, como se esperaría, más intensas en los sólidos y más débiles en los gases.
Debido a la energía agregada, un sistema en la fase gaseosa se encuentra en un nivel más alto de energía interna que el de la fase sólida o líquida.
Un átomo en su núcleo tiene neutrones y protones con carga positiva enlazados entre sí mediante intensas fuerzas del flujo de calor, además de electrones cargados negativamente orbitando a su alrededor.
Durante una reacción química, por ejemplo un proceso de combustión, algunos enlaces químicos se destruyen y otros se forman, lo que da como resultado que la energía interna experimente un cambio.
Esta enorme cantidad de energía relacionada con los fuertes enlaces dentro del núcleo del átomo se llama energía nuclear.
[4] La teoría cinética permite hacer una clara distinción entre temperatura, calor y energía interna.
De esta forma, si 50 g de agua a 30 °C se ponen en contacto (o se mezclan) con 200 g de agua a 25 °C,el calor fluye del agua a 30 °C al agua a 25 °C, aun cuando la energía interna del agua a 25 °C sea mucho mayor puesto que hay mayor cantidad de ella.
En cambio, las energías cinéticas de las moléculas son completamente aleatorias y muy desorganizadas.
En muchas situaciones reales, los tres mecanismos de transferencia del calor se presentan simultáneamente, aunque alguno de ellos puede ser más dominante que los otros.
