Publicado: 26 de enero de 2024
Colaboradores: Tom Krantz y Alexandra Jonker
La energía térmica se refiere a la energía dentro de un sistema que se crea por el movimiento aleatorio de moléculas y átomos. Cuanto mayor sea el movimiento, más energía se produce. Esta energía se transfiere en forma de calor.
El flujo de energía térmica de un sistema a otro es la base de una rama de la física conocida como termodinámica. Los científicos han dado pasos de gigante en las ciencias físicas gracias a los descubrimientos en el campo de la termodinámica. Hoy, esos descubrimientos están contribuyendo a impulsar una nueva era de alternativas energéticas.
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Predecir la demanda de energía
El origen del término “energía térmica” se remonta a la antigüedad (alrededor del 500 a. C.). Sin embargo, su descubrimiento a menudo se atribuye a James Prescott Joule, un físico, matemático y fabricante de cerveza inglés del siglo XIX.
Joule experimentó con la conversión mecánica de la energía y observó que cuanto más manipulaba la velocidad de una sustancia, más se calentaba. Al observar los cambios de temperatura por la fricción y las reacciones químicas, Joule descubrió que la energía puede manifestarse en diferentes formas, como el calor, y que había una correlación directa entre el calor y el trabajo mecánico (energía transferida a o desde un objeto mediante la aplicación de fuerza).
Joule y sus descubrimientos se encontraron con el escepticismo a lo largo de su carrera. Y, sin embargo, ahora medimos la cantidad de trabajo producido por un sistema en julios, una unidad de energía dentro del Sistema Internacional de Unidades (unidad SI). Sus hallazgos allanaron el camino para la ley de conservación de la energía, que establece que la energía total de un sistema aislado permanece constante. Este descubrimiento condujo a la creación de la primera ley de la termodinámica.
Entre las cuatro ciencias físicas, la termodinámica es una rama de la física que se centra en el calor, el trabajo y la temperatura y explora su relación con la energía, la entropía y las propiedades físicas como la materia y la radiación. Los comportamientos observados entre estos elementos se rigen por cuatro leyes:
Inicialmente, la ley cero no se veía como una ley separada de la termodinámica, ya que está implícita en las otras tres leyes. Se centra en el equilibrio térmico, que es cuando dos objetos que están cerca alcanzan la misma temperatura y ya no intercambian energía térmica (piense en agua caliente y una taza fría que alcanzan ambas la temperatura ambiente). La ley establece que si dos sistemas están cada uno en equilibrio térmico con un tercero, también están en equilibrio térmico entre sí. En muchos sentidos, la ley cero opera actúa una propiedad transitiva.
Representada como una fórmula, la primera ley de la termodinámica es una expresión de la ley de conservación de la energía. Afirma que la energía no se puede crear ni destruir, solo transformar de una forma de energía a otra. Por lo tanto, el calor dentro de un sistema será igual al calor de una fuente.
En su forma más simple, la segunda ley de la termodinámica establece que el calor fluye espontáneamente de las regiones más cálidas a las regiones más frías. Sin embargo, prohíbe lo contrario: el calor no fluirá espontáneamente de las regiones frías a las cálidas. Esta distinción es clave ya que establece el concepto de entropía (el grado de desorden o incertidumbre en un sistema) como una propiedad física. La entropía aumentará hasta alcanzar su punto álgido en equilibrio térmico.
Aunque se considera imposible, la tercera ley de la termodinámica establece que a medida que la temperatura de un sistema se acerca al cero absoluto, la entropía del sistema se acercará a un valor mínimo. El concepto de cero absoluto, en el que se detiene toda actividad dentro de un sistema, se considera inalcanzable, ya que las moléculas nunca pueden quedar completamente inmóviles. Sin embargo, se teoriza que el punto cero, o la temperatura más baja posible, es -273,15 grados Celsius (o -459,67 grados Fahrenheit) en la escala de temperatura de Kelvin.
La energía se puede clasificar como energía cinética o potencial. La energía cinética se mide por el movimiento de un objeto y tiene en cuenta la masa y la velocidad. La energía potencial es el potencial de un objeto para moverse en función de varios factores, como su posición (¿está el objeto suspendido en el aire o en el suelo?), sus propiedades (¿de qué está hecho el objeto?) y su relación con otros objetos (¿podría otro objeto hacer que se mueva?).
Pensemos en una pelota que cuelga de un cordel. Mientras la pelota cuelga, almacena energía potencial. No está en movimiento, pero podría estarlo ya que la gravedad actúa sobre ella como fuerza potencial. Si se cortara el cordel y la pelota cayera, entonces tendría energía cinética porque es un objeto en movimiento. Algunos ejemplos destacados de energía potencial y cinética son:
Energía almacenada en los enlaces de átomos y moléculas.
Energía almacenada en el interior de un átomo que mantiene unido el núcleo.
Energía almacenada en un objeto en función de su posición en un campo gravitatorio.
Energía suministrada a través de partículas cargadas llamadas electrones.
Energía suministrada a través de radiación electromagnética.
Energía suministrada a través del calor o del movimiento de los átomos.
La energía térmica es la energía cinética total dentro de un sistema, observada como energía cinética vibratoria, rotacional o traslacional. Sin embargo, también hay una energía "oculta" (o mejor dicho, microscópica) que existe en forma de energía interna que abarca todas las partículas de un sistema y representa tanto la energía cinética como la potencial.
La energía térmica se puede transferir mediante tres métodos: conducción, convección y radiación. Para comprender mejor cómo funciona cada uno, vamos a pensar en una olla con agua hirviendo en un fogón.
- La conducción es el flujo de energía a través de materiales sólidos. A medida que la llama calienta la olla, la energía viaja por todo el objeto y aumenta la temperatura de su superficie.
- La convección es el flujo de energía a través del movimiento de un fluido. A medida que la olla se calienta, el agua se ajusta a la diferencia de temperatura. El agua caliente sube a la superficie a medida que el agua fría baja, creando una corriente circular conocida como movimiento en masa del fluido.
- La radiación es el flujo de energía a través de las ondas. La energía cinética de la llama viaja a través de ondas electromagnéticas y se convierte en calor una vez que toca un objeto, en este caso, la olla.
El calor que se distribuye en este ejemplo se mueve a través de tres estados diferentes: sólido, líquido y gaseoso. La energía térmica puede alterar los objetos en cada estado e incluso puede iniciar un cambio de fase dependiendo de la cantidad de calor aplicada. Esto depende del calor latente y sensible.
El calor latente se refiere a la cantidad de calor o energía necesaria para desencadenar un cambio de fase (convertir el agua hirviendo en vapor). El calor sensible se refiere a la energía necesaria para subir la temperatura de una sustancia (la llama que calienta la olla). Cada objeto tiene su propia capacidad calorífica específica, que es la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura en un grado centígrado. El agua tiene un calor específico alto, lo que significa que se necesita mucha energía para subir su temperatura, mientras que el aire tiene un calor específico bajo, ya que los gases suelen tener una capacidad calorífica específica más baja.
La energía térmica a menudo se usa indistintamente con el calor, aunque hay ligeros matices. La energía térmica se refiere al movimiento de moléculas y átomos dentro de un sistema. El calor, por otro lado, es la transferencia o flujo de energía térmica de un sistema a otro. Tanto la energía térmica como el calor se miden en julios.
La temperatura se refiere a la energía cinética promedio generada dentro de un sistema y se mide en grados Celsius, Fahrenheit, Kelvin o Rankine. Es importante tener en cuenta que la temperatura registra el "calor" o el "frío" de un objeto en un momento específico, pero no su energía. Por ejemplo, la temperatura no puede decirnos la cantidad de calor que sale de un sistema.
Otra forma de pensar acerca de la relación entre los tres es que la energía térmica es la cantidad total de energía de un sistema, el calor es el flujo de energía de ese sistema a otro y la temperatura es la energía cinética media de las moléculas.
En un momento en el que aumentan las preocupaciones en torno al cambio climático, crece la presión para que las empresas avancen hacia operaciones cero netas. La energía térmica ofrece a las organizaciones la oportunidad de adoptar fuentes de energía renovable y prescindir de los combustibles fósiles.
La energía solar se produce al captar y concentrar los rayos del sol. Mediante el uso de reflectores y receptores, la energía del sol se amplifica y se dirige a un tubo que contiene un fluido que transfiere el calor. Este proceso activa una turbina de agua, que produce electricidad.
La energía geotérmica se puede encontrar en la corteza terrestre, lo que la convierte en un recurso abundante. Se obtiene perforando a gran profundidad en depósitos donde puede fluir agua caliente. El agua se aprovecha y se utiliza para mover turbinas que producen electricidad.
La conversión de energía térmica oceánica (CETO) utiliza la variación de la temperatura del océano (más cálida en la superficie, más fría en las profundidades) para producir trabajo útil, generalmente en forma de electricidad. La CETO es una alternativa viable dada la abundancia de agua del océano y su factor de alta capacidad.
Aprovechar la energía térmica como fuente de energía renovable puede ser una forma eficaz para que las empresas diversifiquen su estrategia de gestión de la energía. Es más, puede ayudar a las empresas a mitigar cualquier daño adicional al planeta al reducir el consumo y mejorar la conservación de la energía.
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La energía renovable es energía generada a partir de fuentes naturales que se reponen más rápido de lo que se utilizan.
Veamos un rápido repaso de cómo evolucionaron las diferentes formas de generación de energía renovable para diversificar el sector energético global y el suministro de energía mundial.
La gestión energética consiste en monitorizar, controlar y optimizar de forma proactiva y sistemática el consumo de energía de una organización, con el fin de ahorrar energía y reducir los costes energéticos.