Equilibrio térmico y intercambio de calor

Comprender los conceptos de equilibrio térmico e intercambio de calor es importante para obtener una comprensión más profunda de cómo la temperatura y el calor interactúan en nuestra vida diaria. En esta explicación, repasaremos estas ideas fundamentales de manera clara y directa. Incluirá ejemplos, diagramas y analogías para ayudarle a comprender estos conceptos.

¿Qué es el calor?

El calor es una forma de energía. Es lo que sentimos cuando tocamos algo cálido o caliente. El calor se mueve de áreas más cálidas a áreas más frías. Esta transferencia de energía puede ocurrir de distintas maneras: por conducción, convección o radiación.

La unidad de energía térmica es el joule (J). A veces la energía térmica también se mide en calorías.

Temperatura vs calor

Aunque a menudo usamos los términos calor y temperatura indistintamente en la conversación diaria, tienen significados diferentes en física.

• Temperatura: La temperatura nos dice cuán caliente o frío está algo. Se mide con un termómetro, generalmente en grados Celsius (°C) o Fahrenheit (°F). La temperatura es un indicador de la energía cinética promedio de las partículas en una sustancia. Más energía cinética significa una mayor temperatura.
• Calor: El calor es la energía que fluye debido a una diferencia de temperatura. Cuando se transfiere calor a una sustancia, las partículas de la sustancia se mueven más rápido y su temperatura aumenta.

Entendamos esto con un ejemplo:

Imagine que tienes una olla con agua en la estufa. Al calentarla, la temperatura del agua sube. A medida que las partículas de agua ganan energía, se mueven más rápidamente. El calor se transfiere de la estufa a la olla y al agua, causando que la temperatura del agua suba.
  

¿Qué es el equilibrio térmico?

El equilibrio térmico es un estado donde dos o más objetos alcanzan la misma temperatura y no fluye calor entre ellos. Esto significa que están equilibrados en términos de energía térmica.

Piense en cuando sostiene una taza de chocolate caliente. Inicialmente, la taza se siente cálida en su mano porque el calor del chocolate caliente se está transfiriendo a su mano fría. Después de un tiempo, tanto la taza como su mano estarán a la misma temperatura, y ya no fluirá más calor entre ellos. Ahora están en equilibrio térmico.

• Ejemplo 1: Si coloca un trozo de hielo en un vaso de agua caliente, el hielo comienza a derretirse a medida que el calor fluye del agua caliente al trozo de hielo. Con el tiempo, a medida que se intercambia la energía, todo el sistema (agua y hielo derretido) alcanzará la misma temperatura.
• Ejemplo 2: Cuando entra en una habitación cálida en un día frío, puede sentirse caliente al principio. Sin embargo, a medida que se sienta en la habitación, su cuerpo intercambia calor con el aire circundante hasta que se siente cómodo. Su cuerpo y la habitación finalmente alcanzan el equilibrio térmico.

Sistema de intercambio de calor

El calor puede ser intercambiado entre objetos o sistemas por conducción, convección y radiación.

Conductividad

La conducción es la transferencia de calor a través de una sustancia sin moverla. El calor fluye por conducción cuando las partículas de materia colisionan con las partículas vecinas, transfiriendo energía.

Ejemplo: Cuando toca el mango de una sartén de metal caliente, el calor viaja a través del metal sólido a su mano por conducción.
  

Aquí hay un diagrama simplificado para mostrar cómo funciona la conducción:

En este diagrama, el calor comienza en el lado izquierdo (lado caliente) de la varilla de metal y lentamente se mueve hacia el lado derecho (lado frío) a través de la conducción.

Convección

La convección es la transferencia de calor por el movimiento de un fluido (líquido o gas). Esto sucede porque el fluido caliente es menos denso que el fluido frío, por lo que sube. A medida que sube, el fluido frío ocupa su lugar, creando un ciclo.

Ejemplo: Agua hirviendo en una olla. El agua caliente en el fondo sube a la parte superior, mientras que el agua fría en la parte superior se hunde hacia el fondo, creando un ciclo circulante.
  

Aquí hay un diagrama básico que muestra cómo funciona la convección:

En este diagrama, las flechas muestran cómo el líquido caliente sube y el líquido frío cae, creando una corriente de convección.

Radiación

La radiación es la transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas. A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no requiere un medio; puede ocurrir en el vacío.

Ejemplo: El calor que llega a la Tierra desde el Sol. Los rayos del sol viajan a través del vacío del espacio para calentar nuestro planeta.
  

El siguiente diagrama simplificado muestra la radiación:

En esta vista, el Sol emite energía en forma de ondas, que viajan a través del espacio para llegar a la Tierra.

Cálculo del intercambio de calor

La cantidad de intercambio de calor se puede calcular utilizando la fórmula:

Q = mcΔt
  

• Q es el calor intercambiado (en joules).
• m es la masa de la sustancia (en kilogramos).
• c es la capacidad calorífica específica (en joules por kilogramo por grado Celsius).
• ΔT es el cambio en temperatura (en grados Celsius).

Esta fórmula nos ayuda a determinar cuánta energía calorífica será necesaria para cambiar la temperatura de una sustancia en una cierta cantidad.

Conclusión

Comprender el equilibrio térmico y el intercambio de calor es importante para entender cómo la energía se mueve y se equilibra en nuestro universo. Ya sea el calor del sol, la comodidad de una habitación cálida o el enfriamiento de una bebida caliente con hielo, estos principios básicos están en funcionamiento. A través de la conducción, la convección y la radiación, la energía térmica siempre está en movimiento, tratando de alcanzar un estado de equilibrio.

Al comprender estos conceptos, podemos entender mejor muchos fenómenos naturales y sistemas energéticos en ciencia, ingeniería y la vida cotidiana.

Comentarios