Energía interna, calor y temperatura: desarrollo histórico y aplicaciones

Introducción y Justificación

Tema 15. Energía interna. Calor y temperatura. Desarrollo histórico del concepto de calor. Equilibrio térmico. Propagación del calor. Efectos del calor sobre los cuerpos. Conductores y aislantes. Aplicaciones. Tema 15. Energía interna. Calor y temperatura. Desarrollo histórico del concepto de calor. Equilibrio térmico. Propagación del calor. Efectos del calor sobre los cuerpos. Conductores y aislantes. Aplicaciones. Introducción + justificación + índice. Desde la más remota antigüedad, los fenómenos relacionados con el calor han fascinado al ser humano. El dominio del fuego como fuente rápida y versátil de energía permitió, junto con la tracción animal, el desarrollo tecnológico anterior a la revolución industrial de los siglos 18 y 19. El fuego se usaba no solo para ahuyentar las fieras o provocar daños al enemigo, sino también para procurarse calor en las noches frías de invierno, para modificar el sabor de los alimentos y mejorar su poder nutritivo e, incluso, para tener los primeros productos metalúrgicos y cerámicos. Como veremos en este tema, el conocimiento empírico sobre lo que denominamos calor y frío ha ido ampliándose desde los albores de la civilización, y se ha tardado bastante en establecer las magnitudes apropiadas para cuantificar los fenómenos relacionados con el calor. Si he elegido exponerlo ante el Tribunal es porque en el profundizaremos en todos estos conceptos, lo que nos permitirá comprender mejor este fenómeno tan cotidiano. Para ello, seguiré el orden marcado en el título, estableciendo en primer lugar las definiciones básicas para el desarrollo del tema y un breve acercamiento a su desarrollo histórico, para pasar a explicar, con más detalle, el equilibrio térmico; las formas de propagarse el calor; los efectos del calor sobre los cuerpos; las diferencias entre conductores y aislantes, y las aplicaciones de este tema. Finalmente, daré unas conclusiones y la bibliografía que he consultado para redactarlo. 1 de 8Tema 15. Energía interna. Calor y temperatura. Desarrollo histórico del concepto de calor. Equilibrio térmico. Propagación del calor. Efectos del calor sobre los cuerpos. Conductores y aislantes. Aplicaciones.

Energía Interna

Conceptos Clave de Energía Interna

15.1. Energía interna. Es por esto por lo que empezaremos el tema definiendo los conceptos clave que nos servirán de base para su desarrollo. El primero, tal y como marca el índice, es la energía interna. Si viéramos las partículas que constituyen la materia, descubriríamos que los átomos, las moléculas y los iones se trasladan, vibran y rotan en torno a posiciones más o menos fijas. Así, podemos asociarles una energía cinética interna. Además, interaccionan entre sí mediante fuerzas atractivas y repulsivas que les obligan a mantener unas posiciones relativas, y, por tanto, también tienen energía potencial interna. La energía interna de un sistema, representada por la letra U, es la suma de todos los tipos de energías asociadas a todas las partículas que lo constituyen. Aunque su valor exacto no se puede determinar, ya que supondría conocer las velocidades, posiciones relativas e interacciones de todas las partículas en un instante determinado, sí se pueden calcular las variaciones de la energía interna de un sistema. Así, si durante un proceso aumenta la agitación de las partículas, como al fundir un trozo de hielo, entonces aumenta su energía interna. Si, por el contrario, se frena la agitación, como ocurre al enfriarlo, la energía interna disminuye.

Calor y Temperatura

Definición de Calor y Temperatura

15.2. Calor y temperatura. El entender esta energía nos permite definir dos conceptos cuyo significado no ha sido fácil de precisar: temperatura y calor. Con esto comenzamos el segundo apartado del tema. La teoría cinética y la mecánica estadística definen la temperatura como una medida de la energía cinética media de las partículas que integran el sistema. Una temperatura alta debe interpretarse como que las partículas tienen, en promedio, alta energía cinética, y viceversa. Por otro lado, como veremos en el apartado siguiente, el concepto de calor ha ido evolucionando a lo largo de la historia. Actualmente podemos afirmar que el calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya, es una forma de transferir energía de un cuerpo a otro, cuando ambos tienen distintas temperaturas. Temperatura, energía y calor se introducen desde 2º ESO, y se profundiza en ellos en 4º ESO y 1º Bachillerato. 2 de 8Tema 15. Energía interna. Calor y temperatura. Desarrollo histórico del concepto de calor. Equilibrio térmico. Propagación del calor. Efectos del calor sobre los cuerpos. Conductores y aislantes. Aplicaciones. Puede que nuestros alumnos tengan dificultades diferenciando estos conceptos. Para solucionarlas, debe quedar claro que la palabra "calor" solo debería usarse para describir la transferencia de energía consecuencia de una diferencia de temperatura, mientras que la "energía interna" es aquella que contiene una sustancia a cierta temperatura, por razón del estado de sus moléculas. Los sistemas modifican su energía interna intercambiando energía con el entorno, en forma de trabajo o de calor. Es decir, los sistemas no tienen trabajo ni calor, sino que poseen energía interna. El trabajo y el calor son las manifestaciones de las variaciones de su energía interna.

Desarrollo Histórico del Concepto de Calor

Evolución del Concepto de Calor

15.3. Desarrollo histórico del concepto de calor. Una vez establecida esta diferencia, abordaremos, en el tercer apartado del tema, el desarrollo histórico del concepto de calor. Y es que, mientras la humanidad aprovechaba sus efectos, los científicos estudiábamos su naturaleza. En el siglo 17, Galileo, Newton y otros científicos apoyaban la teoría de los atomistas griegos, que consideraban el calor como una manifestación del movimiento molecular. En el siglo siguiente se pudo medir cuantitativamente la cantidad de calor que entra o sale de un cuerpo y se observó que, cuando dos cuerpos están en contacto, la cantidad de calor que sale de uno es igual a la cantidad de calor que entra en el otro. Esto hizo que se considerara el calor como una sustancia material fluida e invisible, llamada "calorico", que no podía ser creada ni destruida, pero sí transferida de un cuerpo a otro. Sin embargo, a principios del siglo 19 los resultados de muchas experiencias llevaron a los científicos a cuestionar la validez de esta teoría, y en 1840-1850 Joule demostró que la ganancia o pérdida de una cantidad determinada de calor venía acompañada de la desaparición o aparición de una cantidad equivalente de energía mecánica. La energía térmica, por tanto, no se conservaba por sí sola. Aun así, la teoría del calórico contribuyó decisivamente al desarrollo de la termodinámica, y su importancia se demuestra por el uso de muchos de sus términos para hablar del calor, como "caloría" o "calor latente". 3 de 8Tema 15. Energía interna. Calor y temperatura. Desarrollo histórico del concepto de calor. Equilibrio térmico. Propagación del calor. Efectos del calor sobre los cuerpos. Conductores y aislantes. Aplicaciones.

Equilibrio Térmico

Variables y Equilibrio Térmico

15.4. Equilibrio térmico. En lo que queda de tema profundizaremos en estos conceptos, para lo cual tenemos que explicar, en el cuarto apartado, el equilibrio térmico. En termodinámica se estudian los sistemas analizando las variables que pueden afectar a su estado. Si dichas variables permanecen constantes en el tiempo, en un estado determinado, el sistema se encuentra en equilibrio. Pero estas variables pueden cambiar al interaccionar con otro sistema.

• Así, si se produce contacto directo entre dos sistemas o contacto a través de una pared diatérmica, cambiaran algunas de las variables de estado de cada sistema, hasta que tomen valores constantes y ambos alcancen el equilibrio térmico. Esto es lo que enuncia el principio 0 de la termodinámica, que se introduce en 2º ESO.
• Además, dos sistemas también pueden estar en equilibrio térmico aún sin estar en contacto directo, si ambos están en equilibrio con un tercero.

El concepto de temperatura está íntimamente relacionado con el estado de equilibrio térmico entre dos sistemas. Así, si dos sistemas se ponen en contacto y, al hacerlo, sus valores comienzan a cambiar, los sistemas no estaban a la misma temperatura, pero llegaran a estar a una temperatura común cuando se alcance el equilibrio. Alcanzado el equilibrio, existe una ligadura entre las variables termodinámicas que caracterizan el sistema, de forma que no pueden variar de forma independiente. La relación que liga dichas variables se llama "ecuación de estado". Un ejemplo muy conocido son los gases ideales, en cuyo equilibrio se verifica que: p . V = n . R . T

Propagación del Calor

Mecanismos de Propagación del Calor

15.5. Propagación del calor. Pero, ¿cómo se produce el transporte de energía calorífica que da lugar al equilibrio térmico? En el quinto apartado del tema daremos respuesta a esta pregunta. Y es que la "propagación del calor" es el intercambio de energía entre sistemas debido a la diferencia de sus temperaturas y, tal y como se ve en 2ºESO, se puede producir a través de tres mecanismos. 4 de 8Tema 15. Energía interna. Calor y temperatura. Desarrollo histórico del concepto de calor. Equilibrio térmico. Propagación del calor. Efectos del calor sobre los cuerpos. Conductores y aislantes. Aplicaciones.

• Por una parte, se puede transportar la energía sin transportar materia, lo que se conoce como "conducción". En el penúltimo apartado del tema profundizaremos en los materiales que permiten que se produzca este fenómeno.
• Por otra, tenemos la "convección", que es la forma en la que los líquidos y los gases propagan el calor, gracias a un transporte de materia en el que las partículas calientes desplazan a las frías.
• El tercer y último mecanismo es la "radiación", que permite que la energía del Sol llegue a la Tierra aunque no haya un medio material para su transmisión. Así, se utilizan ondas electromagnéticas, cuyas características dependen de la temperatura y propiedades del cuerpo emisor. A baja temperatura predominan radiaciones que no se observan a simple vista, y a medida que la temperatura aumenta, el objeto comienza a brillar desde el rojo hasta el blanco.

Estos tres procedimientos de propagación del calor no son excluyentes, y suelen coexistir. Al explicarlos, podemos hacer experimentos como meter una cuchara en un vaso con agua caliente para mostrar la conducción; mezclar agua caliente y fría coloreadas para ver la convección o aproximar las manos a una fuente de luz para experimentar la radiación.

Efectos del Calor sobre los Cuerpos

Cambios Dimensionales y de Estado

15.6. Efectos del calor sobre los cuerpos. Una vez explicados, cabe plantearse cuáles son los efectos que tiene el calor sobre los cuerpos, a lo que dedicaremos el sexto apartado del tema. Como se ve en 4ºESO, el intercambio de calor entre dos sistemas y su consecuente variación de temperaturas puede dar lugar a dos efectos: o bien a cambios dimensionales o bien a cambios de estado.

• En primer lugar, de acuerdo con la teoría cinética, cuando aumenta la temperatura aumenta la energía cinética media de las partículas del cuerpo y, por tanto, su movilidad, lo que hace que su distancia media aumente. Este aumento se percibe como un incremento del tamaño.
• Por otra parte, el estado físico de un cuerpo depende de la presión y la temperatura a la que se encuentra. Si la presión no cambia, como en los procesos a presión atmosférica, el cambio de estado se debe solo a la variación de la temperatura. 5 de 8