Definición de Energía Térmica

La energía térmica, muchas veces referida como energía interna, es un tipo de energía que está contenida en un sistema y que es responsable de la temperatura de este. Al flujo de energía térmica se le conoce como “calor”.

Ángel Zamora Ramírez | Julio 2022
Licenciado en Física

Uno está muy familiarizado con el concepto de energía térmica, incluso sin percibirlo; tan sólo con revisar la temperatura del lugar en el que vivimos, apreciamos una medición de la energía térmica en el ambiente. En el concepto de mecánica, el interés en este tipo de energía radica en el rol que juega en asegurar la conservación de la energía, ya que, en los sistemas físicos de la vida real cualquier transferencia de energía que se lleve a cabo resulta en una parte siendo transferida como energía térmica.

¿Qué es la energía térmica en sí?

Para responder esta pregunta podemos pensar por ejemplo en un gas, aunque esto es válido para cualquier otro sistema: un gas está compuesto por un gran número de moléculas que se mueven libremente, cada molécula que lo compone se mueve a cierta velocidad y, por lo tanto, posee energía cinética. La Mecánica Estadística nos permite calcular la energía cinética promedio de todas las moléculas que componen el gas, por ejemplo, para un gas ideal monoatómico la energía cinética promedio \({{K}_{avg}}\) está dada por:

\({{K}_{avg}}=\frac{3}{2}{{k}_{B}}T\)

Donde \({{k}_{B}}\) es la constante de Boltzmann y \(T\) es la temperatura del gas. Como se puede apreciar en esta ecuación, para cierta temperatura existe una energía cinética promedio de las moléculas que componen un sistema y viceversa. La temperatura no es más que una medida del movimiento de las moléculas que componen un sistema y la transferencia de energía térmica entre un sistema y otro no es más que transferencia de energía cinética entre las moléculas que componen ambos sistemas por medio de colisiones.

Energía térmica por fricción

Esto quizá lo hemos hecho alguna vez en nuestra vida: Tomas una goma de borrar y la frotas varias veces rápidamente sobre una hoja de papel, después de unos segundos paras y tocas la goma y la parte de la hoja donde la frotaste, ambas están calientes, ¿Qué ha pasado aquí?

La fuerza de fricción es una fuerza no conservativa, es decir, el trabajo mecánico que realiza sobre un sistema no se almacena como energía potencial. En este caso, todo el trabajo mecánico realizado por la fuerza de fricción resulta en una transferencia de energía térmica en forma de calor entre la goma de borrar y la hoja de papel, lo que hace que la temperatura de ambos aumente.

La diferencia de energía térmica generada por la fricción entre un cuerpo y una superficie está dada por:

\(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }{{E}_{T}}={{\mu }_{k}}\eta d\)

Donde \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }{{E}_{T}}\) es el cambio de energía térmica del sistema, \({{\mu }_{k}}\) es el coeficiente de fricción cinética y depende de la superficie y el cuerpo en cuestión, \(\eta \) es la fuerza normal ejercida por la superficie sobre el cuerpo (en el caso de una superficie plana horizontal, la fuerza normal tiene la misma magnitud que el peso del objeto), y \(d\) es la distancia total recorrida por el cuerpo.

Energía térmica por arrastre

Cuando un cuerpo se mueve a través de un fluido, como un líquido o un gas, experimenta una fuerza de arrastre por parte de dicho fluido. Esta fuerza de arrastre resulta de la diferencia de velocidades entre el cuerpo y el fluido, el cuerpo en movimiento transfiere parte de su momento lineal al fluido en sí y hace que las moléculas que componen el fluido se muevan más rápido, esto finalmente resulta en un aumento de la energía térmica del sistema.

La fuerza de arrastre depende, entre otras cosas, de la velocidad relativa entre el fluido y el cuerpo que se mueve a través de este, así como de la geometría propia del cuerpo. Un claro ejemplo de esta fuerza de arrastre es la resistencia del aire, cuando un cuerpo se mueve a través del aire experimenta una resistencia que se opone al movimiento, esta es la razón por la cual objetos con distintas morfologías en caída libre en presencia de aire llegan al suelo en tiempos distintos. La transferencia de energía térmica debida a las fuerzas de arrastre la podemos observar cuando objetos del especio exterior como los meteoroides, entran a la atmósfera de la Tierra y comienzan a quemarse durante su trayecto dejando detrás unas estelas luminosas a las que popularmente se les conoce como “estrellas fugaces”.

La fuerza de arrastre \({{F}_{d}}\) experimentada por un cuerpo moviéndose a través de un fluido puede calcularse con la siguiente ecuación:

\({{F}_{d}}=\frac{1}{2}\rho {{v}^{2}}{{c}_{d}}A\)

Donde \(\rho \) es la densidad del fluido, \(v\) es la velocidad del cuerpo relativa al fluido, \({{c}_{d}}\) es el coeficiente de arrastre del fluido y \(A\) es el área transversal del cuerpo relativa a la dirección del movimiento.

Calor disipado por resistencia eléctrica

La resistencia eléctrica es una oposición que presentan los conductores al flujo de corriente eléctrica a través de estos, se podría decir que la resistencia eléctrica es análoga a la fuerza de fricción y a la fuerza de arrastre.

Pongamos el ejemplo de una corriente eléctrica pasando a través de un resistor, cuando los electrones pasan a través del resistor comienzan a perder energía potencial eléctrica debido a colisiones entre los electrones y las moléculas que componen el resistor, esta transferencia de energía potencial eléctrica se manifiesta en una transferencia de energía térmica hacía el resistor y resulta en un aumento de la temperatura de este. La disipación de energía eléctrica por unidad de tiempo (potencia) \(P\) resultado de una corriente fluyendo a través de un dispositivo con resistencia \(R\) está dada por:

\(P=\frac{{{V}^{2}}}{R}\)

Donde \(V\) es la diferencia de potencial eléctrico o voltaje. Este fenómeno se encuentra detrás del funcionamiento de las bombillas eléctricas, en estos dispositivos se hace pasar una corriente eléctrica a través de un filamento hecho con un material conductor, principalmente tungsteno, lo cual hace que dicho filamento comience a calentarse debido a su resistencia eléctrica y a emitir luz.

 
 
 
 
Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Estudiante de la Maestría en Ingeniería y Física Biomédicas del Cinvestav.
Art. actualizado: Julio 2022; sobre el original de mayo, 2011.
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Zamora Ramírez, A. (Julio 2022). Definición de Energía Térmica. Definición ABC. Desde https://www.definicionabc.com/ciencia/energia-termica.php
 

Referencias

Khan Academy. (2016). What is thermal energy?. 2022, de Khan Academy.

David Halliday, Robert Resnick & Jearl Walker. (2011). Fundamentals of Physics. United States: John Wiley & Sons, Inc.

Gerald L. Pollack & Daniel R. Stump. (2002). Electromagnetism. San Francisco: Addison Wesley.
 
 
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