4.1: Energía y Calor

La energía es la capacidad de hacer trabajo sobre la materia. El trabajo realizado se manifiesta de diversas maneras. La materia puede ser empujada, tirada o levantada a distancia cuando se aplica energía. Es decir, el trabajo realizado sobre la materia implica un cambio de posición o movimiento. La energía potencial es la energía de la posición. Un bloque de roca unido a un alto acantilado tiene una energía potencial sustancial debido a su posición sobre el suelo. Cuando se desprende del acantilado y cae a la superficie, la energía potencial se convierte en energía cinética de movimiento. Cuando la roca golpea el suelo, la energía cinética se convierte en trabajo cuando desaloja el material de la superficie.

Figura\(\PageIndex{1}\): Formas de Energía

El calor o energía térmica es la energía total asociada con movimientos aleatorios atómicos y moleculares de una sustancia. El calor se transfiere de tres maneras. La radiación es la transferencia de energía a través de ondas electromagnéticas. La radiación no necesita un medio intermedio para pasar la energía térmica del emisor al absorbedor. Cuando la radiación del Sol es absorbida por la Tierra, sí funciona poniendo las moléculas en movimiento y elevando su nivel de energía cinética. En un sólido, las moléculas pueden vibrar más rápidamente y colisionar entre sí y transferir calor de porciones más cálidas a frías de la masa por conducción. Aunque normalmente se piensa que la conducción ocurre dentro de un sólido, puede ocurrir entre un sólido y un fluido. Cuando el aire, un fluido, entra en contacto con el suelo, un sólido, el calor puede ser transferido a través de colisiones moleculares. En fluidos como el aire y el agua, el calor es transferido por la circulación de moléculas a través del proceso de convección. La convección implica una transferencia vertical de calor, como la que se produce en una olla calentada de agua. A medida que el agua se calienta circula a la superficie. Lo mismo ocurre con el aire. Cuando el aire es calentado por la superficie terrestre, también circula hacia arriba. Si bien la convección se aplica a la transferencia vertical de calor, la advección es un término que se aplica a la transferencia horizontal de calor por el viento.

No confundas temperatura y calor, no son lo mismo. La temperatura es una medida del nivel promedio de energía cinética de una sustancia, es decir, el grado de picor o frialdad. El calor es la energía total asociada al movimiento de las moléculas mientras que la temperatura es el nivel promedio de energía. Una olla de agua hirviendo tiene una temperatura más alta que una tina tibia de agua, pero la tina contiene más calor porque hay más masa.

La caloría es una unidad de medida para el calor. Una caloría es la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de un gramo de agua a través de 1 ^o C. La energía se expresa en términos de julios. Un julio es el equivalente a un vatio de potencia irradiada o disipada por un segundo. El calor específico es el calor requerido para elevar la temperatura de una sustancia unitaria (por ejemplo, gramo) a través de un intervalo de temperatura particular (1 ^o C, por ejemplo). El calor específico del agua es de 1 caloría/gramo °C = 4.186 julios/gramo °C que es mayor que cualquier otra sustancia común en la Tierra. Esta es una de las razones por las que grandes masas de agua juegan un papel tan importante en el presupuesto de calor del sistema de la Tierra. La radiación a menudo se mide en vatios por metro ² o langleys por minuto.