Tercera semana del cuarto periodo grado décimo

Energía térmica

 

La energía térmica se refiere a la energía contenida en un sistema que es responsable de su temperatura. Una rama de la física, la termodinámica, estudia cómo el calor se transfiere entre diferentes sistemas y cómo se realiza un trabajo en el proceso.

 

En el contexto de problemas de mecánica, generalmente estamos interesados en el papel que desempeña la energía térmica en garantizar la conservación de la energía. Casi cualquier transferencia de energía que ocurre en sistemas físicos reales se da con una eficiencia menor del 100% y resulta en algo de energía térmica. Esta energía suele ser energía térmica de bajo nivel, lo que significa que su temperatura asociada es cercana a la del medio ambiente. Solo es posible extraer trabajo cuando hay una diferencia de temperatura, de modo que la energía térmica de bajo nivel representa "el final del camino" de la transferencia de energía. Yo no es posible ningún trabajo útil; la energía se ha "perdido en los alrededores".  

Si la temperatura que alcanza un sistema es alta en relación con el medio ambiente, entonces podría ser viable recuperar algo de energía usando una máquina termica secundaria. Por ejemplo, la recuperación del calor residual de los escapes de los motores de los vehículos es un tema de investigación activo. Sin embargo, el efecto general cuando se considera el sistema (motor + dispositivo de recuperación) es solo un aumento en la eficiencia. El "fin del camino" sigue siendo energía térmica de bajo nivel.

 

Cuando hablamos del sistema, nos referimos a una colección de todas las partes que interactúan entre sí y que son relevantes para algún dispositivo físico particular. En la definición del sistema necesariamente estamos excluyendo interacciones con algunos objetos que colectivamente llamamos los alrededores. Si se transfiere energía térmica a los alrededores, entonces la energía ya no se conserva en el sistema.

 

La energía térmica a partir de la fricción

Considera el ejemplo de un hombre que empuja una caja por un piso áspero a velocidad constante, como se muestra en la siguiente figura. Puesto que la fuerza de fricción es no conservativa, el trabajo hecho no se almacena como energía potencial. Todo el trabajo realizado por la fuerza de fricción resulta en una transferencia de energía en energía térmica del sistema piso-caja. Esta energía térmica fluye como calor dentro de la caja y el piso. En última instancia eleva la temperatura de ambos objetos.

 

Podemos encontrar el cambio en la energía térmica total $\Delta E_T$delta, E, start subscript, T, end subscript del sistema piso-caja al hallar el trabajo total realizado por la fricción mientras la persona empuja la caja. Recuerda que la caja se mueve a velocidad constante. Esto significa que la fuerza de fricción y la fuerza aplicada son iguales en magnitud. Por lo tanto, el trabajo realizado por estas dos fuerzas también es igual.

 

Al usar la definición del trabajo realizado por una fuerza paralela al movimiento de un objeto en de una distancia $d$:

 

$W=F\cdot d$W, equals, F, dot, d

$\mathrm{ }$

$\mathrm{\Delta }{E}_T=F_{\mathrm{f}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{i}\acute{\mathrm{o}}\mathrm{n}}\cdot d$

$$delta, E, start subscript, T, end subscript, equals, F, start subscript, f, r, i, c, c, i, o, with, acute, on top, n, end subscript, dot, d

Si el coeficiente de friction dinámica es ${\mu }_k$mu, start subscript, k, end subscript, entonces también podemos escribir esta relación como:

$\Delta E_T={\mu }_k{F}_{n}d$

 

Energía térmica debida al arrastre

La fuerza de arrastre sobre un objeto en movimiento debida a un fluido como el aire o el agua es otro ejemplo de una fuerza no conservativa, lo mismo el arie, que es un fluido. Aunque no es tan denso como el agua u otros fluidos, fluye en la misma forma. Un fluido es cualquier sustancia que fluye; esto incluye líquidos y gases.

 

Cuando un objeto se mueve a través de un fluido, transfiere parte de su momento y pone el fluido en movimiento. Si el objeto se detuviera, de todas formas quedaría algo de movimiento residual en el fluido, que dejaría de moverse solo después de cierto tiempo. Lo que está sucediendo aquí es que los movimientos a gran escala del fluido eventualmente se redistribuyen en muchos movimientos aleatorios más pequeños de las moléculas que lo componen. Estos movimientos representan un aumento en la energía térmica del sistema.

 

En la Figura 2 se muestra un sistema con un eje de transmisión suspendido en el interior de depósito de agua térmicamente aislado. Hay dos paletas unidas al eje, que ponemos a rotar. En este sistema, cualquier trabajo realizado al rotar el eje resulta en una transferencia de energía cinética al agua. Si después de un tiempo dejamos de aplicar la fuerza que hace rotar el eje, todavía habrá algo de movimiento residual. Sin embargo, este eventualmente se detendrá, y todo el proceso resultará en un aumento en la energía térmica del agua.

 

Curiosamente, un sistema similar al que se muestra en la siguiente figura, fue utilizado por James Prescott Joule (1818 – 1889). Es por él que las unidades de energía en el sistema SI llevan ese nombre. Joule puso en movimiento una paletas giratorias sumergidas en un tanque lleno de aceite de ballena por medio de la acción de unas pesas, y pudo determinar la relación entre el trabajo mecánico y el calor. Esto llevó al establecimiento de la ley de la conservación de la energía y de la primera ley de la termodinámica.