14.1: Energía, Calor y Trabajo

Objetivos de aprendizaje

Asegúrese de comprender a fondo las siguientes ideas esenciales:

• La energía potencial de un objeto se relaciona con su ubicación, pero hay un requisito adicional que debe satisfacerse para que la energía potencial esté presente. Explique y dé un ejemplo.
• Distinguir entre la naturaleza de la energía cinética que se asocia con cuerpos macroscópicos y que se encuentra en objetos microscópicos como átomos y moléculas.
• Describir el significado y los orígenes de la energía “química”.
• Definir la caloría.
• El calor y el trabajo se expresan en unidades de energía, pero difieren de la energía “simple” de manera fundamental. Explique.
• ... y señalar la distinción entre calor y trabajo.

Todos los cambios químicos van acompañados de la absorción o liberación de calor. La íntima conexión entre materia y energía ha sido fuente de asombro y especulación desde los tiempos más primitivos; no es casualidad que el fuego fuera considerado 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 revisaremos algunos de los conceptos fundamentales de energía y calor y la relación entre ellos. Comenzaremos el estudio de la termodinámica, que trata los aspectos energéticos del cambio en general, y finalmente aplicaremos esto específicamente al cambio químico. Nuestro propósito será brindarle las herramientas para predecir los cambios energéticos asociados con los procesos químicos. Esto construirá las bases para un objetivo más ambicioso: predecir la dirección y el alcance del cambio en sí mismo.

¿Qué es la Energía?

La energía es uno de los conceptos más fundamentales y universales de la ciencia física, pero uno que es notablemente difícil de definir de manera que sea significativa para la mayoría de las personas. Esto quizá refleje el hecho de que la energía no es una “cosa” que existe por sí misma, sino que es más bien un atributo de la materia (y también de la radiación electromagnética) que puede manifestarse de diferentes maneras. Se puede observar y medir sólo indirectamente a través de sus efectos sobre la materia que la adquiere, pierde o posee.

El concepto que llamamos energía fue muy lento en desarrollarse; se necesitaron más de cien años solo para que la gente se pusiera de acuerdo en las definiciones de muchos de los términos que utilizamos para describir la energía y la interconversión entre sus diversas formas. Pero incluso ahora, la mayoría de la gente tiene alguna dificultad para explicar qué es; de alguna manera, la definición que todos aprendimos en la ciencia elemental (“la capacidad de hacer trabajo”) parece menos que adecuada para transmitir su significado. Aunque el término “energía” no se utilizó en la ciencia antes de 1802, desde hace tiempo se había sugerido que ciertas propiedades relacionadas con los movimientos de los objetos exhiben una resistencia que se incorpora al concepto moderno de “conservación de energía”. René Descartes (1596-1650) lo declaró explícitamente:

Cuando Dios creó el mundo, “hizo que algunas de sus partes empujaran a otras y transfirieran sus movimientos a otras...” y así “conserva el movimiento”. *

En el siglo XVII, el gran matemático Gottfried Leibniz (1646-1716) sugirió la distinción entre vis viva (“fuerza viva”) y vis mortua (“fuerza muerta”), que más tarde se conoció como energía cinética (1829) y energía potencial (1853).

Energía cinética y energía potencial

Sea cual sea la energía que pueda ser, básicamente hay dos tipos. La energía cinética se asocia con el movimiento de un objeto, y sus consecuencias directas forman parte de la experiencia diaria de todos; cuanto más rápida sea la pelota que atrapes en tu mano, y cuanto más pesada es, más la sientes. Cuantitativamente, un cuerpo con una masa m y moviéndose a una velocidad v posee la energía cinética mv ² /2.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Un fusil dispara una bala de 4.25 g a una velocidad de 965 m s ^—1. ¿Cuál es su energía cinética?

Solución

La única información adicional que necesitas aquí es que

1 J = 1 kg m ² s ^—2:

KE = ½ × (.00425 kg) (965 m s ^—1) ² = 1980 J

La energía potencial es energía que tiene un cuerpo en virtud de su ubicación. Pero hay más: el cuerpo debe estar sujeto a una “fuerza restauradora” de algún tipo que tiende a moverlo a una ubicación de menor energía potencial. Piense en una flecha que se somete a la fuerza de una cuerda de arco estirada; cuanto más apretada se tira de la flecha contra la cuerda, más energía potencial tiene. De manera más general, la fuerza restauradora proviene de lo que llamamos un campo de fuerza, un campo gravitacional, electrostático o magnético. Observamos las consecuencias de la gravitaciónuna l energía potencial todo el tiempo, como cuando caminamos, pero rara vez le damos algún pensamiento.

Si un objeto de masa m se eleva del suelo a una altura h, su energía potencial aumenta en mgh, donde g es una constante de proporcionalidad conocida como aceleración de la gravedad; su valor en la superficie terrestre es 9.8 m s ^—2.

Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

Encuentra el cambio en la energía potencial de un libro de texto de 2.6 kg que cae desde la altura de 66 cm de una mesa al piso.

Solución

PE = m g h = (2.6 kg) (9.8 m s ^—2) (0.66 m) = 16.8 kg m ² s ^—2 = 16.8 J

De igual manera, la energía potencial de una partícula que tiene una carga eléctrica q depende de su ubicación en un campo electrostático.

“Energía química”

La energía potencial electrostática juega un papel importante en la química; las energías potenciales de los electrones en el campo de fuerza creado por los núcleos atómicos se encuentran en el corazón del comportamiento químico de átomos y moléculas.

“Energía química” generalmente se refiere a la energía que se almacena en los enlaces químicos de las moléculas. Estos enlaces se forman cuando los electrones son capaces de responder a los campos de fuerza creados por dos o más núcleos atómicos, por lo que pueden considerarse como manifestaciones de energía potencial electrostática.

En una reacción química exotérmica, los electrones y núcleos dentro de los reactivos se reordenan en productos que poseen energías más bajas, y la diferencia se libera al ambiente en forma de calor.

Interconversión de energía potencial y cinética

Las transiciones entre el potencial y la energía cinética son una parte tan íntima de nuestra vida cotidiana que difícilmente les damos un pensamiento. Ocurre al caminar a medida que el cuerpo se mueve hacia arriba y hacia abajo. Nuestros cuerpos utilizan la energía química en la glucosa para mantenernos calientes y mover nuestros músculos. De hecho, la vida misma depende de la conversión de la energía química a otras formas.

La energía se conserva: no puede crearse ni destruirse. Entonces, cuando vas cuesta arriba, tu energía cinética se transforma en energía potencial, la cual se vuelve a cambiar en energía cinética a medida que caminas por el otro lado. ¿Y de dónde vino la energía cinética que gastaste en el comercio cuesta arriba? Por conversión de parte de la energía potencial química en tu cereal de desayuno.

• Cuando deja caer un libro, su energía potencial se transforma en energía cinética. Cuando golpea el piso, esta transformación se completa. ¿Qué pasa entonces con la energía? La energía cinética que en el momento del impacto se situaba antiguamente exclusivamente en el libro en movimiento, ahora se comparte entre el libro y el piso, y en forma de movimientos térmicos aleatorios de las unidades moleculares de las que están hechos; podemos observar este efecto como un aumento de la temperatura.
• ← Gran parte de la energía potencial del agua que cae puede ser capturada por una rueda de agua u otro dispositivo que transforma la energía cinética del agua de salida en energía cinética. La salida de una energía hidroeléctrica es directamente proporcional a su altura por encima del nivel de las turbinas generadoras en el valle inferior. En este punto, la energía cinética del agua de salida se transfiere a la de la turbina, la mayor parte de la cual (hasta 90 por ciento en las instalaciones más grandes) se convierte luego en energía eléctrica.
• ¿La temperatura del agua en el fondo de una caída de agua será mayor que la de la parte superior? El propio James Joule predijo que sería. Se ha calculado que en las caídas de Niagra, esa conversión completa de la energía potencial de 1 kg de agua en la parte superior en energía cinética cuando golpea la piscina de inmersión 58 metros por debajo dará como resultado un aumento de temperatura de aproximadamente 0.14 C°. (Pero hay muchas complicaciones. Por ejemplo, parte del agua se descompone en pequeñas gotas a medida que cae, y el agua se evapora de las gotitas con bastante rapidez, produciendo un efecto de enfriamiento).
• La energía química también se puede convertir, al menos parcialmente, en energía eléctrica: esto es lo que sucede en una batería. Si una reacción altamente exotérmica también produce productos gaseosos, estos últimos pueden expandirse tan rápidamente que el resultado es una explosión, una conversión neta de energía química en energía cinética (incluido el sonido).

Energía térmica

La energía cinética se asocia con el movimiento, pero de dos maneras diferentes. Para un objeto macroscópico como un libro o una bola, o un paquete de agua que fluye, simplemente viene dado por ½ mv ².

Pero como mencionamos anteriormente, cuando un objeto se deja caer sobre el suelo, o cuando una reacción química exotérmica calienta la materia circundante, la energía cinética se dispersa en las unidades moleculares del ambiente. Esta forma “microscópica” de energía cinética, a diferencia de la de una bala acelerada, es completamente aleatoria en los tipos de movimientos que exhibe y en su dirección. Nos referimos a esto como energía cinética “termalizada”, o más comúnmente simplemente como energía térmica. Observamos los efectos de esto como un aumento en la temperatura de los alrededores. La temperatura de un cuerpo es medida directa de la cantidad de energía térmica que contiene.

La energía térmica nunca es completamente recuperable

Una vez que se termaliza la energía cinética, solo una parte de ella se puede convertir de nuevo en energía potencial. El resto simplemente se dispersa y se diluye en el ambiente, y se pierde efectivamente.

Para resumir, entonces:

• La energía potencial se puede convertir completamente en energía cinética..
• La energía potencial también se puede convertir, con diversos grados de eficiencia, en energía eléctrica.
• La energía cinética de los objetos macroscópicos se puede transferir entre objetos (salvo los efectos de la fricción).
• Una vez que la energía cinética se termaliza, solo una parte de ella se puede convertir de nuevo en energía potencial o concentrarse de nuevo en la energía cinética de un macroscópico. Esta limitación, que no tiene nada que ver con la tecnología sino que es una propiedad fundamental de la naturaleza, es objeto de la segunda ley de la termodinámica.
• Un dispositivo que está destinado a lograr la transformación parcial de la energía térmica en energía cinética organizada se conoce como un motor térmico.

Básculas y unidades de energía

Al principio podrías pensar que un libro sentado sobre la mesa tiene cero energía cinética ya que no se mueve. Pero si lo piensas, la tierra misma se mueve; está girando sobre su eje, está orbitando al sol, y el sol mismo se aleja de las otras estrellas en la expansión general del universo. Dado que estos movimientos normalmente no nos interesan, somos libres de adoptar una escala arbitraria en la que se mide la velocidad del libro con respecto a la tabla; en este llamado sistema de coordenadas de laboratorio, la energía cinética del libro puede considerarse cero.

Hacemos lo mismo con la energía potencial. Si el libro está sobre la mesa, su energía potencial con respecto a la superficie de la mesa será cero. Si adoptamos esto como nuestro cero de energía potencial, y luego empujamos el libro fuera de la mesa, su energía potencial será negativa después de que llegue al piso.

La energía se mide en términos de su capacidad para realizar trabajos o para transferir calor. El trabajo mecánico se realiza cuando una fuerza f desplaza un objeto por una distancia d: w = f × d.

La unidad básica de energía es el joule. Un julio es la cantidad de trabajo realizado cuando una fuerza de 1 newton actúa sobre una distancia de 1 m; así 1 J = 1 N-m. El newton es la cantidad de fuerza requerida para acelerar una masa de 1 kg en 1 m/seg ², por lo que las dimensiones básicas del joule son kg m ² s ^—2. Las otras dos unidades de amplio uso. la caloría y la BTU (unidad térmica británica) se definen en términos del efecto de calentamiento sobre el agua. Debido a las muchas formas que puede tomar la energía, existe un número correspondientemente grande de unidades en las que se puede expresar, algunas de las cuales se resumen a continuación.

1 caloría elevará la temperatura de 1 g de agua en 1 C°. La caloría “dietética” es en realidad 1 kcal. Un adulto joven promedio gastan alrededor de 1800 kcal por día solo para mantenerse con vida. (deberías conocer esta definición)	1 cal = 4.184 J
1 BTU (Unidad Térmica Británica) elevará la temperatura de 1 lb de agua en 1F°.	1 BTU = 1055 J
El erg es la unidad de energía c.g.s. y una muy pequeña; el trabajo realizado cuando una fuerza de 1 dina actúa sobre una distancia de 1 cm.	1 J = 10 ^7 ergs 1 erg = 1 d-cm = 1 g cm ^2 s ^—2
El electrón-voltio es aún más pequeño: 1 e-v es el trabajo requerido para mover una unidad de carga eléctrica (1 C) a través de una diferencia de potencial de 1 voltio.	1 J = 6.24 × 10 ^18 e-v
El vatio es una unidad de potencia, que mide la tasa de flujo de energía en J seg ^—1. Así, el vatio-hora es una unidad de energía. Un humano promedio consume energía a una velocidad de unos 100 vatios; el cerebro solo funciona a unos 5 vatios.	1 J = 2.78 × 10 ^—4 vatios-hora 1 w-h = 3.6 kJ
El litro-atmósfera es una variante del trabajo de fuerza-desplazamiento asociado a cambios de volumen en los gases.	1 L-ATM = 101.325 J
Las enormes cantidades de energía que consumen las ciudades y los países se expresan en quads; el therm es una unidad similar pero más pequeña.	1 cuádruple = 10 ^15 Btu = 1.05 × 10 ^18 J
Si el objeto es aniquilar ciudades o países con armas nucleares, la unidad energética de elección es la tonelada equivalente a TNT.	1 tonelada de TNT = 4.184 GJ (por definición)
En términos de combustibles fósiles, tenemos equivalente en barril de petróleo, equivalente a metro cúbico de gas natural y equivalente a toneladas de carbón.	1 bboe = 6.1 GJ 1 cmge = 37-39 MJ 1 toce = 29 GJ

Calor y trabajo

El calor y el trabajo se miden en unidades de energía, por lo que ambos deben representar energía. ¿En qué se diferencian entre sí, y de la simple “energía” misma? En nuestro lenguaje cotidiano, solemos decir que “este objeto contiene mucho calor”, ¡pero este tipo de plática es un no-no en la termodinámica! Está bien decir que el objeto está “caliente”, es decir, que su temperatura es alta. El término “calor” tiene un significado especial en la termodinámica: es un proceso en el que un cuerpo (el contenido de una tetera, por ejemplo) adquiere o pierde energía como consecuencia directa de que tiene una temperatura diferente a la de su entorno (el resto del mundo).

El calor y el trabajo son procesos y no se pueden almacenar

La energía térmica solo puede fluir de una temperatura más alta a una temperatura más baja. Es este flujo el que constituye “calor”. El uso del término “flujo” de calor recuerda la noción del siglo XVIII de que el calor es una sustancia real llamada “calórica” que podría fluir como un líquido.

El calor se transfiere por conducción o radiación

La transferencia de energía térmica se puede lograr poniendo dos cuerpos en contacto físico (la tetera en la parte superior de la estufa, o a través de un elemento de calentamiento eléctrico dentro de la tetera). Otro mecanismo de transferencia de energía térmica es por radiación; un objeto caliente transportará energía a cualquier cuerpo a la vista a través de radiación electromagnética en la parte infrarroja del espectro. En muchos casos, una combinación de modos estará activa. Así, cuando colocas una lata de cerveza en el refrigerador, ambos procesos son operativos: la lata irradia calor a las superficies frías que la rodean, y la absorbe por conducción directa del aire ambiente.

Entonces, ¿qué es el trabajo?

El trabajo se refiere a la transferencia de energía algunos medios que no dependen de la diferencia de temperatura.

El trabajo, al igual que la energía, puede tomar diversas formas, siendo las más familiares las mecánicas y eléctricas. El trabajo mecánico surge cuando un objeto se mueve una distancia Δ x contra una fuerza opuesta f:

\[w= f Δ x N^ {-m}\]

con\(1\, N^{-m}\) = 1\, J.\)

El trabajo eléctrico se realiza cuando un cuerpo que tiene una carga q se mueve a través de una diferencia de potencial Δ V.

El trabajo, como el calor, existe solo cuando se está transfiriendo energía.Cuando se colocan dos cuerpos en contacto térmico y la energía fluye del cuerpo más cálido al más frío, llamamos al proceso “calor”. Una transferencia de energía hacia o desde un sistema por cualquier medio que no sea el calor se denomina “trabajo”.

Interconvertibilidad de calor y trabajo

El trabajo se puede convertir completamente en calor (por fricción, por ejemplo), pero el calor solo se puede convertir parcialmente en trabajo. La conversión del calor en trabajo se logra por medio de un motor térmico, cuyo ejemplo más común es un motor de gasolina ordinario. La ciencia de la termodinámica se desarrolló a partir de la necesidad de comprender las limitaciones de los motores térmicos impulsados por vapor al inicio de la Era Industrial. Una ley fundamental de la Naturaleza, la Segunda Ley de la Termodinámica, establece que la conversión completa del calor en trabajo es imposible. ¡Algo en lo que pensar cuando compras combustible para tu auto!