¿Qué es la energía térmica? - Aprende sobre la energía calórica
Todo cuerpo que posee masa, tiene la capacidad de generar energía. En ocasiones, se ve en forma de electricidad, otros en forma de radiación. Sin embargo, hay una forma de energía que está relacionada con la transferencia de calor y el movimiento de las partículas. A esto le conocemos como energía térmica.
Si es tu primera vez escuchando o viendo este término, hoy te brindaremos toda la información que necesitas. Así, tendrás más conocimiento sobre este tipo de energía. Además, al finalizar, sabrás sobre cómo funciona, de qué manera se produce y qué relación tiene con la energía cinética de la que tanto se habla en el campo de la física.
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Definición de energía térmica
Miremos la definición de la siguiente manera: la energía térmica está relacionada con las partículas, las moléculas y un cuerpo que posee masa. Se le considera como el índice de energía que estos poseen internamente y que son proporcionales a su temperatura. Es decir, que mientras mayor energía posea un cuerpo o partícula, mayor será su temperatura y, por ende, su energía térmica.
Visto de otra manera, la energía térmica se produce y tiene presencia gracias al movimiento de las partículas dentro de un cuerpo. Dicho movimiento es aleatorio y tiene equivalencia con la energía cinética. Dicho movimiento puede implicar un aumento o disminución en la transferencia de calor. Por ello, cuando un cuerpo tiene una alta temperatura, significa que sus partículas se están moviendo a una velocidad rápida. Por otro lado, cuando no existe movimiento, se dice que hay “frío”, aunque este es un término coloquialmente utilizado para representar la ausencia de calor.
Si utilizamos un ejemplo práctico para entender este asunto, digamos que un cuerpo que se encuentra en estado líquido tiene mayor energía térmica, a diferencia de uno en estado sólido. A nivel molecular, las partículas en un cuerpo acuoso tienen mayor libertad para moverse, mientras que en un cuerpo sólido difícilmente exista energía interna que le permita a las partículas moverse. De hecho, cuando se calienta un metal, su sistema interno comienza a producir movimiento, porque puede alcanzar una gran cantidad de energía térmica pese a ser un sólido.
Un dato muy importante sobre el origen de la energía térmica, es que, como tal, se produce cuando dos cuerpos que tienen diferentes temperaturas interactúan entre sí. Esa diferencia hace que nazca una pequeña energía térmica que, si vamos a una escala grande, la podemos sentir y/o detectar. Ejemplo de esto es la radiación del sol, la cual interactúa con el planeta y nuestro cuerpo. Aunque en estos temas, tiene mucho que ver el tiempo atmosférico y la temperatura que hay en el ambiente.
¿Qué es la energía térmica de un cuerpo?
El cuerpo humano y el de cualquier ser vivo conocido en el planeta se considera como un sistema que tiene la capacidad de generar energía. El mismo principio que hemos explicado hace un momento, aplica perfectamente tanto para ti, como para mí. Internamente, contamos con un sistema complejo que se mantiene en funcionamiento de manera constante. Es por esta razón que poseemos una temperatura estable y/o estándar.
El funcionamiento de nuestros órganos y demás sistemas nos permite generar energía. Esto lo podemos notar cuando utilizamos un termómetro y medimos nuestra temperatura corporal. Sin embargo, tenemos la capacidad de desarrollar más energía manteniendo nuestra salud e integridad intacta. Ejemplo de esto, es cuando hacemos ejercicio o presentamos fiebre. A nivel molecular, las partículas de nuestro cuerpo se mueven a una velocidad mayor. Es por esto que se registra un aumento en la temperatura.
Ahora bien, ¿qué pasa cuando nuestra temperatura baja hasta los 0 grados centígrados? Allí es cuando no hay vida, puesto que no somos capaces de mantenernos vivos a esa temperatura. Esta misma explicación se puede aplicar a cualquier otro ámbito. Por ejemplo, si metes una comida sólida o líquida a un microondas, por radiación electromagnética, nuestra comida se calienta. Aquí se ven implicadas tanto la energía que poseen las ondas y el aumento de la velocidad que obtienen las partículas que componen la masa de la comida.
¿Cómo se produce la energía térmica?
Contrario a lo que se piensa, no existe una única manera de generar energía térmica, sino que hay varias formas. La más fácil sería por fricción, sea en un sistema complejo o simple. Es decir, frotar nuestras manos de forma constante y rápida, o realizar un movimiento en el que dos cuerpos constantemente estén rozando entre sí.
También se puede generar a partir de hacer circular corriente eléctrica a través de un material conductor como los diferentes metales. Se sabe que la energía eléctrica está compuesta de electrones en movimiento. Estos, al interactuar con un material conductor, se genera una diferencia de voltaje y como consecuencia, se registra un aumento de temperatura en el mismo. Esto sucede debido a que los electrones están influyendo en las partículas del material y se produce calor.
Ten en cuenta que no es estrictamente necesario que sea un material sólido para conseguir calor mediante la electricidad, sino que también puede ser alguna solución químicamente preparada para ser conductor o bien mediante un gas ionizado. Ahora bien, siendo más específicos con este tema, la energía calórica se puede producir de forma natural, o de forma artificial por la intervención humana. Entre las más conocidas se encuentran:
- Energía producida por la naturaleza
Esta en particular, tiene diferentes presentaciones o formas. La más común es la que proviene de nuestro sol a millones de kilómetros del planeta Tierra. Esta es producida por ondas electromagnéticas en el orden de los rayos cósmicos. Al tener una gran energía, puede calentar la masa y la materia que hay a su alrededor. Gracias a nuestra atmósfera y capa de ozono, gran parte de esa radiación se ve “neutralizada” o filtrada y podemos gozar de una temperatura estable. Además, la distancia a la que nos encontramos también influye mucho.
Otra de las formas en las que la naturaleza puede ofrecernos calor, es mediante los volcanes y la lava que estos poseen, el hierro fundido que se encuentra en el centro de nuestro planeta o algo tan común como lo son los rayos. Estos últimos se encuentran a una temperatura 4 veces superior a la que existe en la superficie del sol. Por suerte, es algo que desaparece casi al instante.
- Calentamiento por inducción
Este método tiene mucha relación con el control de la corriente eléctrica y convertirla en un campo magnético. Para esto, es necesario un material conductor, dos bobinas y un flujo de corriente. Este campo magnético, al fluir a través de un material, genera corrientes parasitarias, y esto es lo que provoca un aumento en la temperatura. Se considera como una de las mejores formas para generar o transferir corriente eléctrica, gracias a su facilidad, control y precisión.
- Energía producida por procesos químicos
El ejemplo más fácil en el que se puede notar la presencia de energía calórica, es mediante la combustión. Esto se puede ver cuando se quema combustible de origen fósil. Dependiendo del material que se vaya a quemar, la temperatura puede ser mayor o menor y, por ende, se puede emplear más trabajo en un sistema complejo. Por ejemplo, se necesita gran cantidad de combustible para generar energía y poder mover un avión, contrario a lo que se requiere para poner en marcha un coche o un bote pequeño.
¿Cómo funciona la energía térmica?
Hay que tener presente que todo cuerpo constituido por partícula cuenta con energía. En parte, esto se debe a la energía cinética que existe en el mismo. Como tal, el funcionamiento se debe a los movimientos o la vibración de las partículas a través de un medio. Mientras más movimiento o vibración exista, mayor será la energía térmica. Esto lo puedes ver en una simulación de partículas en movimiento. Notarás que, si aumentas la temperatura, más movimiento existe.
Liberación
Esto hace referencia a los efectos que se producen cuando las partículas interactúan entre sí cuando existe una diferencia de temperatura. Por ejemplo, cuando hacemos circular corriente eléctrica por un material conductor, el movimiento de los electrones y partículas provocan un aumento de la temperatura. A medida que aumentamos la intensidad, sube la temperatura del material. Lo que percibimos como caliente, son los átomos y las partículas que se están moviendo a una gran velocidad.
Así que la liberación en este caso sería el calor que provoca el hacer circular corriente por el material. Ya sea que se haga por este método, se utilice la fricción, procesos químicos y nucleares, la liberación se produce en forma de calor.
Propagación
En cuanto a la propagación, esta se consigue a través de un material o un medio. Por ejemplo, el sol tiene la capacidad de propagar calor a través de ondas electromagnéticas que están altamente cargadas de energía. Por otro lado, un volcán en su interior cuenta con material que constantemente está siendo calentado, la diferencia está en que el segundo caso es algo físico que podemos “tocar” y ver, mientras que las ondas solo la percibimos como calor directamente.
¿Cómo se da la transferencia de energía térmica?
Existen tres formas que se conocen hasta el momento en la que se puede transferir calor de un cuerpo a otro. Estos son:
- Por convección
- Por radiación
- Por conducción
Estos tres procesos de transferencia se pueden dar de forma simultánea o bien, pueden ocurrir de forma separada. Por ejemplo, todos los cuerpos celestes que están en órbita alrededor de una estrella, tienen la capacidad de recibir calor a través de la radiación electromagnética. En el caso de la convección, un ejemplo fácil de entender sería el de poner a calentar agua en la estufa. Se podría decir que es como calentar un material y al mismo tiempo modificar la temperatura de una masa adicional.
Por otro lado, la convección podría ser el calor que absorbe un cuerpo o materia y lo contiene o de cierta manera, lo disipa. Tal es el caso de las paredes de un hogar, oficina o estancia similar. Este proceso en física tiene relación con la densidad de los líquidos y los gases. Se sabe que mientras más caliente esté un líquido o gas, menos denso será y, por ende, tenderá a subir, caso contrario a cuando se encuentra a una baja temperatura.
Es por esta razón que, al calentar una olla con agua, la parte de abajo se calienta más rápido y tiende a subir. El líquido que está en la parte superior desciende por su densidad y se calentará. Es aquí donde el proceso se repetirá hasta que todo tenga una temperatura uniforme.
Si quieres hacer la prueba, intenta calentar dos barras de diferentes materiales: uno que sea de madera y el otro de metal. Notará que en el de metal, el calor se irá extendiendo a través del material hasta llegar al extremo donde la temperatura es más baja.
Sin embargo, en la barra de madera no ocurrirá lo mismo, puesto que no es un sólido capaz de conducir bien la energía y el calor generado se limitará a una pequeña zona. Un aspecto importante a mencionar, es que la conducción de calor solo está limitada a los sólidos. Es decir, que no verás este tipo de transferencia de calor si no existe materia sólida.
Características de la energía térmica
La principal característica de este tipo de energía, es que puede producirse de tres maneras distintas que ya mencionamos: conducción, convección y radiación. La energía termo solar se produce gracias a la radiación electromagnética, la cual es captada por paneles solares y convertida en energía eléctrica. Gracias a esto, podemos mantener en funcionamiento equipos electrónicos y eléctricos gracias al sol.
Otra de las características, es que tiene un origen natural y artificial, por así decirlo. Esto supone una gran ventaja, puesto que se pueden desarrollar diferentes métodos que nos permitan generar electricidad para el uso diario en nuestras vidas. Lo que anteriormente era una gran dependencia a la quema de combustibles fósiles, actualmente contamos con diferentes formas de producir energía y que son menos contaminantes.
Ahora bien, es posible medir la energía térmica de un cuerpo gracias a la temperatura que estos generan. Claro, es necesario tener un dispositivo que sea capaz de detectar las variaciones de calor en el ambiente y el cuerpo o masa que se está escaneando o estudiando. Algo importante a mencionar, es que estas mediciones se pueden hacer de diferentes maneras. Se puede hacer a través de un termómetro, o bien emplear tecnología más complicada, como lo son los escáneres de temperatura o telescopios. Estas últimas tienen la capacidad de hacer un mapeo empleando radiación electromagnética en el orden de los infrarrojos.
¿Qué tipos de energía térmica existen?
En este punto, comprenderás que existen muchos tipos de energía térmica y no solo la que hemos mencionado de forma superficial en el artículo. De cualquier forma, mencionaremos con más detalles algunos de los tipos que se conocen hasta la fecha.
Energía térmica debida al arrastre
Imaginemos por un momento que estás arrastrando una caja de X material sobre una superficie. Aunque hay diferentes fuerzas que toman lugar. Sin embargo, se produce una energía térmica por el arrastre. Esto es debido a que dos superficies están entrando en contacto y hay movimiento de por medio. La diferencia está, en que solo la superficie de la caja, que está en contacto con el suelo, es la que se calentará y aumentará su temperatura. Mientras existe una transferencia de movimiento entre dos cuerpos, existirá energía térmica por arrastre.
La energía térmica a partir de la fricción
Esto es básicamente una variante del anterior ejemplo, con la diferencia que esta engloba la energía mecánica. El movimiento o trabajo que un cuerpo hace o se le induce, es transformada en energía térmica o calórica. Algo tan sencillo como frotar las manos una con la otra. Puede que las turbinas que generan electricidad en una planta hidroeléctrica caigan dentro de esta categoría. Sin embargo, es más cuestión de empuje e inducción magnética que cualquier otra cosa.
Lo cierto es que, al momento de hacer fricción entre dos superficies, se genera movimiento de las partículas. Aunque no solo se produce esto, sino que también da lugar a la electricidad estática, aunque depende principalmente de ambos materiales. Por ejemplo, podemos cargar un globo eléctricamente si lo frotamos en nuestro cabello o en una prenda de ropa. Aquí se genera electricidad, pero al mismo tiempo calor, la cual se disipa muy rápido.
Ejemplos del uso de la energía térmica
- La temperatura que nuestros cuerpos y el planeta posee actualmente en gran parte es debido a la radiación solar. La temperatura que se registra en las diferentes zonas del mundo se mantiene gracias a la radiación que se recibe todos los días.
- A una escala mucho más pequeña, el sistema de un microondas es capaz de calentar comida a través de radiación electromagnética en el orden de las microondas.
- La forma en cómo calentamos líquidos y sólidos, ya sea mediante una estufa o un horno.
- El hacer circular corriente eléctrica a través de un material conductor, dándonos la posibilidad de encender bombillas
- La reacción exotérmica que se produce al encender un cerillo.
Estos son tan solo algunos de los muchísimos ejemplos que existen para la producción de energía térmica. Ten en cuenta que suele haber confusión cuando se habla de energía calorífica y calórica. Mientras que uno se refiere al tema explicado en el artículo, la otra está orientada al consumo de nutrientes en el cuerpo de un ser vivo.
Por otro lado, con la tecnología que actualmente poseemos, es posible utilizar la energía térmica para producir otros tipos de energías. Tal es el caso de la geotérmica, el cual aprovecha toda la energía que se produce de forma natural en nuestro planeta. Luego de un sistema complejo de procesado, se genera corriente eléctrica, la cual será usada para mantener operativa una ciudad o país.