Segunda ley de la termodinámica

Como se ha descrito en el módulo de Energía, cualquier cosa en movimiento tiene energía cinética. Dado que toda la materia está formada por átomos, iones y moléculas que están en constante movimiento, todos los objetos tienen una forma de energía en su interior. Esta energía se llama calor.

El calor se describe a menudo como si fuera un fluido (como el agua) que puede transferirse de un objeto a otro. Incluso los científicos hablan así cuando dicen cosas como “se han añadido 50 J de calor a la barra de metal”. Es importante darse cuenta de que esto no es más que una simplificación de lo que realmente ocurre.

A menudo se oyen descripciones de procesos que suenan como si el calor se estuviera extrayendo o vertiendo en los objetos. Recuerde lo que realmente está ocurriendo: los átomos se aceleran o se ralentizan para que su energía cinética aumente o disminuya.

Por ejemplo, tomemos la barra de metal descrita anteriormente. Cuando alguien dice “se añadieron 50 J de calor a la barra de metal”, lo que realmente está diciendo es que la barra se calentó para que tuviera 50 J más de calor. Probablemente se colocó en un baño de agua caliente o se calentó en la llama de un mechero bunsen, por ejemplo. Los átomos de la barra fueron bombardeados por las moléculas de agua o los iones de la llama del mechero. Por término medio, los átomos de la barra empezaron a moverse más rápido de lo que estaban, mientras que las moléculas de agua o los iones de la llama empezaron a moverse más lentamente. Así, la energía cinética de los átomos de metal aumentó, mientras que las moléculas de agua o los iones de la llama perdieron energía cinética. Así, la energía térmica se transfirió del agua o de la llama al metal.

Ejemplo de diferencia entre calor y temperatura

El Sol y la Tierra forman un ejemplo continuo de proceso de calentamiento. Una parte de la radiación térmica del Sol incide y calienta la Tierra. En comparación con el Sol, la Tierra tiene una temperatura mucho más baja y, por tanto, envía mucha menos radiación térmica de vuelta al Sol. El calor de este proceso puede cuantificarse por la cantidad neta, y la dirección (Sol a Tierra), de energía que transfiere en un periodo de tiempo determinado.

En termodinámica, el calor es la energía en transferencia hacia o desde un sistema termodinámico, por mecanismos distintos al trabajo termodinámico o a la transferencia de materia[1][2][3][4][5][6][7] Los distintos mecanismos de transferencia de energía que definen el calor se exponen en la siguiente sección de este artículo.

Al igual que el trabajo termodinámico, la transferencia de calor es un proceso que involucra a más de un sistema, no una propiedad de un solo sistema. En termodinámica, la energía transferida como calor contribuye al cambio de la variable energética cardinal de estado del sistema, por ejemplo su energía interna, o por ejemplo su entalpía. Esto debe distinguirse de la concepción del lenguaje ordinario del calor como una propiedad de un sistema aislado.

Calor y sonido

Todos los cambios químicos van acompañados de la absorción o liberación de calor. La íntima conexión entre la materia y la energía ha sido fuente de asombro y especulación desde los tiempos más primitivos; no es casualidad que el fuego se considerara uno de los cuatro elementos básicos (junto con la tierra, el aire y el agua) ya en el siglo V a.C. En esta unidad sólo se tratarán los aspectos más básicos del tema, lo suficiente para empezar; hay un conjunto de lecciones mucho más completo sobre la energía química en otro lugar.

La energía es uno de los conceptos más fundamentales y universales de la ciencia física, pero es extraordinariamente difícil de definir de forma que tenga sentido para la mayoría de la gente. Esto quizá refleje el hecho de que la energía no es una “cosa” que exista por sí misma, sino que es un atributo de la materia (y también de la radiación electromagnética) que puede manifestarse de diversas maneras. Sólo puede observarse y medirse indirectamente a través de sus efectos sobre la materia que la adquiere, la pierde o la posee. La energía puede adoptar muchas formas: mecánica, química, eléctrica, de radiación (luz) y térmica. También sabes que la energía se conserva; puede pasar de un objeto o lugar a otro, pero nunca puede desaparecer.

Entalpía

El calor, o la energía térmica, es la suma de la energía cinética de los átomos o las moléculas. En termodinámica, el calor significa la energía que se mueve entre dos cosas, cuando una de ellas tiene una temperatura más alta que la otra.

Añadir calor a algo aumenta su temperatura, pero el calor no es lo mismo que la temperatura. La temperatura de un objeto es la medida de la velocidad media de las partículas que se mueven en él. La energía de las partículas se llama energía interna. Cuando un objeto se calienta, su energía interna puede aumentar para que el objeto se caliente más. La primera ley de la termodinámica dice que el aumento de la energía interna es igual al calor añadido menos el trabajo realizado en el entorno.

El calor también puede definirse como la cantidad de energía térmica de un sistema[1] La energía térmica es el tipo de energía que tiene una cosa por su temperatura. En termodinámica, la energía térmica es la energía interna presente en un sistema en estado de equilibrio termodinámico debido a su temperatura[2] Es decir, el calor se define como un flujo espontáneo de energía (energía en tránsito) de un objeto a otro, causado por una diferencia de temperatura entre dos objetos; por lo tanto, los objetos no poseen calor[3].