La energía contenida dentro de un sistema y que es responsable de su temperatura. La energía térmica siempre se ha relacionado con el calor y, de hecho, el calor es el flujo de esa energía térmica.

gracias bro me sirve tu comentario

En el ejercicio 1a no entiendo por qué da 29.43 kJ en vez de 29430kJ

Es porque "kilo", es un prefijo usado en física, como muchos otros. Este significa x10^3. Multiplicando eso, lo transformaras a Joules. Es como Kilómetros y metros, 1 kilómetro es igual a 1000 metros, a Kilojoul es igual a 1000 jouls. Espero que te sirva.

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¿Qué es la energía térmica?

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Aprende qué es la energía térmica y cómo calcularla.

¿Qué es la energía térmica?

La energía térmica se refiere a la energía contenida en un sistema que es responsable de su temperatura. Una rama de la física, la termodinámica, estudia cómo el calor se transfiere entre diferentes sistemas y cómo se realiza un trabajo en el proceso (ve la primera ley de la termodinámica).

En el contexto de problemas de mecánica, generalmente estamos interesados en el papel que desempeña la energía térmica en garantizar la conservación de la energía. Casi cualquier transferencia de energía que ocurre en sistemas físicos reales se da con una eficiencia menor del 100% y resulta en algo de energía térmica. Esta energía suele ser energía térmica de bajo nivel, lo que significa que su temperatura asociada es cercana a la del medio ambiente. Solo es posible extraer trabajo cuando hay una diferencia de temperatura, de modo que la energía térmica de bajo nivel representa "el final del camino" de la transferencia de energía. Yo no es posible ningún trabajo útil; la energía se ha "perdido en los alrededores".

Si la temperatura que alcanza un sistema es alta en relación con el medio ambiente, entonces podría ser viable recuperar algo de energía usando una máquina termica secundaria. Por ejemplo, la recuperación del calor residual de los escapes de los motores de los vehículos es un tema de investigación activo. Sin embargo, el efecto general cuando se considera el sistema (motor + dispositivo de recuperación) es solo un aumento en la eficiencia. El "fin del camino" sigue siendo energía térmica de bajo nivel.

Cuando hablamos del sistema, nos referimos a una colección de todas las partes que interactúan entre sí y que son relevantes para algún dispositivo físico particular. En la definición del sistema necesariamente estamos excluyendo interacciones con algunos objetos que colectivamente llamamos los alrededores. Si se transfiere energía térmica a los alrededores, entonces la energía ya no se conserva en el sistema. En nuestro artículo sobre la conservación de la energía exploramos más este concepto.

La energía térmica a partir de la fricción

Considera el ejemplo de un hombre que empuja una caja por un piso áspero a velocidad constante, como se muestra en la Figura 1. Puesto que la fuerza de fricción es no conservativa, el trabajo hecho no se almacena como energía potencial. Todo el trabajo realizado por la fuerza de fricción resulta en una transferencia de energía en energía térmica del sistema piso-caja. Esta energía térmica fluye como calor dentro de la caja y el piso. En última instancia eleva la temperatura de ambos objetos.

Podemos encontrar el cambio en la energía térmica total

Δ E_{T}

del sistema piso-caja al hallar el trabajo total realizado por la fricción mientras la persona empuja la caja. Recuerda que la caja se mueve a velocidad constante. Esto significa que la fuerza de fricción y la fuerza aplicada son iguales en magnitud. Por lo tanto, el trabajo realizado por estas dos fuerzas también es igual.

Al usar la definición del trabajo realizado por una fuerza paralela al movimiento de un objeto en de una distancia

d

W = F \cdot d

Δ E_{T} = F_{fricci ó n} \cdot d

Si el coeficiente de friction dinámica es

μ_{k}

, entonces también podemos escribir esta relación como:

Δ E_{T} = μ_{k} F_{n} d

Ejercicio 1a: supón que la persona que se muestra en la Figura 1 empuja la caja manteniendo una velocidad constante. La caja tiene una masa de

100 kg

y es empujada por una distancia de

100 m

. El coeficiente de fricción dinámica entre la caja y el piso es

μ_{k} = 0.3

. ¿Cuánta energía térmica se transfiere al sistema piso-caja?

Como la caja no está acelerando (tiene velocidad constante) y la fuerza sobre la caja va en la misma dirección que el movimiento (no hay componente vertical), la fuerza neta que hace la persona está exactamente equilibrada por la fuerza debida a la fricción. Esta fuerza aplicada por la distancia nos da el cambio en la energía térmica del sistema.

\begin{aligned} Δ E_{T} & = 0.3 \cdot 9.81 m / s^{2} \cdot 100 kg \cdot 100 m \\ = 29.43 kJ \end{aligned}

Ejercicio 1b: cuando la persona empuja la caja, se apoya en la fricción entre las suelas de sus zapatos y el suelo. ¿Hay algún cambio en la energía térmica de los zapatos de la persona debido a que empuja la caja?

Siempre y cuando la persona no resbale, no habrá ningún cambio en la energía térmica de los zapatos. Cuando una persona camina, levanta sus pies. Aunque la fuerza de fricción estática entre los zapatos y el suelo es importante, esta fuerza no se aplica en ninguna distancia, por lo que no realiza trabajo alguno. Es la fuerza de fricción dinámica la que genera energía térmica, no la fuerza de fricción estática.

Energía térmica debida al arrastre

La fuerza de arrastre sobre un objeto en movimiento debida a un fluido como el aire o el agua es otro ejemplo de una fuerza no conservativa.

Cuando un objeto se mueve a través de un fluido, transfiere parte de su momento y pone el fluido en movimiento. Si el objeto se detuviera, de todas formas quedaría algo de movimiento residual en el fluido, que dejaría de moverse solo después de cierto tiempo. Lo que está sucediendo aquí es que los movimientos a gran escala del fluido eventualmente se redistribuyen en muchos movimientos aleatorios más pequeños de las moléculas que lo componen. Estos movimientos representan un aumento en la energía térmica del sistema.

En la Figura 2 se muestra un sistema con un eje de transmisión suspendido en el interior de depósito de agua térmicamente aislado. Hay dos paletas unidas al eje, que ponemos a rotar. En este sistema, cualquier trabajo realizado al rotar el eje resulta en una transferencia de energía cinética al agua. Si después de un tiempo dejamos de aplicar la fuerza que hace rotar el eje, todavía habrá algo de movimiento residual. Sin embargo, este eventualmente se detendrá, y todo el proceso resultará en un aumento en la energía térmica del agua.

Curiosamente, un sistema similar al que se muestra en la Figura 2 fue utilizado por James Prescott Joule (1818 – 1889). Es por él que las unidades de energía en el sistema SI llevan ese nombre. Joule puso en movimiento una paletas giratorias sumergidas en un tanque lleno de aceite de ballena por medio de la acción de unas pesas, y pudo determinar la relación entre el trabajo mecánico y el calor. Esto llevó al establecimiento de la ley de la conservación de la energía y de la primera ley de la termodinámica.

Ejercicio 2a: supón que la rueda de paletas, representada en la Figura 2, es puesta a girar durante 30 minutos por un motor eléctrico que tiene una potencia de salida de 10 W. ¿Cuánta energía térmica se transfiere al agua?