Energía (II El Calor)

Sigamos tirando del hilo de la Energía.

Ay! qué Perecita me da esta nueva saga que me he metido!

En el capítulo anterior nos metimos un poco con la Energía Cinética asociada al movimiento y la Potencial asociada a la gravedad. Ambas interrelacionadas por la ley de conservación de la energía. Las ecuaciones que regulaban este intercambio de energías eran relativamente sencillas y fáciles de intuir. Únicamente estaba el problema de las pérdidas por rozamiento que se convertían, principalmente, en calor.

El concepto de energía interna podríamos enfocarlo como aquella energía que reside en el “interior” de un cuerpo y que ni es cinética ni potencial gravitatoria.

Aún y todo tendríamos diferentes tipos de energía interna, se me ocurren, la térmica, la química y la nuclear.

La térmica se refiere a la energía debida a la temperatura. O sea, un cuerpo caliente puede ceder energía a otro con menos temperatura. En principio podríamos decir que al aumentar la temperatura aumenta la energía interna y a la inversa. Pero la energía térmica se relaciona con la energía cinética interna… de las partículas internas, átomos, moléculas.

La transferencia de calor se rige por la ecuación Q= c*m*(t2-t1), donde c es el calor específico de cada material, una constante para cada material, (digamos que su capacidad de almacenar calor), m la masa y t2-t1 el incremento de temperatura. 

 Lo peculiar de estos procesos es que el cuerpo de mayor temperatura cede calor, o energía, al de menor temperatura. Pero a medida que cede calor, también disminuye su temperatura, mientras aumenta la temperatura del otro. Llega un momento en que las temperaturas se igualan y el intercambio de calor cesa.

  Hay que considerar también el medio a través del cual se trasmite el calor, que puede ser a través de un material conductor (más o menos aislante)  o por radiación (en este caso más difícil de controlar las pérdidas).

No es evidente calcular el tiempo que tardará el ecosistema en alcanzar la temperatura de equibrio, carne de ecuación diferencial, pero sí la temperatura y la transferencia propiamente dicha. Basta con plantear un par de ecuaciones:

Q1=m1*c1*(t1-t)

Q2=m2*c2*(t-t2)

Q1=Q2

Donde Q1=Q2, energía transferida (o si se prefiere, Q1=-Q2, considerando que tienen distinto signo, según hablemos de energía emitida o recibida) t1: temperatura cuerpo 1, t2 temperatura del cuerpo 2, t: temperatura de equilibrio.

Dos ecuaciones con dos incógnitas Q y t.

Aquí seguimos aplicando el principio de conservación de la energía: no se crea ni se destruye… Sólo se transforma… Pero algo más ocurre… y es que ese proceso de transferencia de energía que tenía lugar espontáneamente ya no puede darse en sentido inverso. La energía interna perdida por uno la ganó el otro, sí, pero algo sutil se perdió. El cuerpo caliente cede energía al más frío, espontáneamente, como decía. Pero terminado el proceso, el  movimiento de energía termina.

Esto se relaciona con el concepto de Entropía. La Entropía es un valor numérico que aumenta con cada uno de estos procesos irreversibles. Creo recordar se calculaba como DQ/T, donde T sería la temperatura final de equilibrio. (En grados Kelvin). Cuanta mayor cantidad de calor transferida mayor Entropía. Cuanto menor sea la temperatura de equilibrio mayor Entropía.

Se habla de que la Entropía es una medida del “orden”, enfoque que no entiendo muy bien, o en qué parámetros se basa ese supuesto orden. Veo más claro la noción de irreversibilidad, o de equilibrio, en el sentido de que el sistema se vuelve más estático. Tampoco es una noción que atañe únicamente a la termodinámica, muchas reacciones químicas se producen espontáneamente en un sentido, pero no en el inverso, pongamos, por ejemplo, el fuego.

Entonces, resumiendo, la energía térmica es un valor numérico asociado a una masa (como en el caso de la cinética y la potencial) y, más exactamente, quizá, asociado a una interacción entre masas.

   La cinética, veíamos, se refiere a una interacción entre dos masas que chocan a cierta velocidad.  Al menos la velocidad es relativa, respecto al observador; pero la energía cinética solo va a ser relevante respecto a otra masa respecto a la cual chocará o rozará.

La potencial se refiere a una interacción entre dos masas que se atraen.

 La energía térmica se refiere también a la interacción entre dos masas con diferente temperatura… en cierto modo, como decíamos antes, debe ser una forma de energía cinética interna, ya que la temperatura de un cuerpo es función de la velocidad de giro, o traslación, de sus átomos y/o moléculas. Cuando dos cuerpos, a diferente temperatura, entran en contacto, este movimiento interno se va trasmitiendo hasta que ambos quedan igualados. Cada material tiene su propia capacidad para trasmitir calor, desde el mejor conductor al mejor aislante.

Aparte de la transferencia de calor por contacto hay una transferencia por radiación que, de momento, no sé si meterme con ella hasta desarrollar ese tema de las radiaciones electromagnéticas.  En fin, vamos a ir entrando un poco en materia. La unidad en cuestión debe ser el fotón, emitido con una determinada frecuencia y/o longitud de onda. A 0° Kelvin no hay radiación, frecuencia nula, longitud infinita. A partir de aquí, si vamos subiendo la temperatura, se emiten fotones con una longitud de onda cada vez menor. Las longitudes de onda asociadas a diferentes temperaturas son (copio de la Wikipedia):

0,001°K ••• 2,89 metros (FM)

0,01°C  … 10.608nanometros (LW, IR)

 100°C …7766 nanómetros (AM, IR)

2.200°C…1160 nm (infrarrojo)(lámpara)

5.505°C … 501,5 (luz verde)(sol exterior)

16M °C …0,18 nm (rayos x) (sol interior)

350M …0,0083nm (rayos gamma)(termonuclear)

……

Bueno, ya hemos entrado con la electromagnética, habrá que profundizar luego.

De momento seguir el repaso con el tema químico, eléctrico y nuclear.
https://es.m.wikipedia.org/wiki/Calor

https://es.m.wikipedia.org/wiki/Entropía
https://es.m.wikipedia.org/wiki/Equivalencia_entre_masa_y_energía

https://es.m.wikipedia.org/wiki/Temperatura_absoluta
Unidades de medida

Un micrómetro equivale a:

  • Una milésima de milímetro: 1 µm = 0,001 mm = 1 × 10-3 mm
  • Una millonésima de metro: 1 µm = 0,000 001 m = 1 × 10-6 m
  • Mil nanómetros: 1 µm = 1000 nm
mm = 1000 µm
1 m = 1 000 000 µm
nm = 0,001 µm

Acerca de Isar

Investigador de todo...
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