Conceptos Fundamentales de Física: Energía, Trabajo y Fenómenos Térmicos

Trabajo y Energía Mecánica

En física, el trabajo y la energía son conceptos interrelacionados que describen la capacidad de los cuerpos para producir cambios o movimiento.

Definiciones Clave

• Trabajo Mecánico: Se produce cuando una fuerza aplicada a un cuerpo genera un desplazamiento en la dirección de dicha fuerza. Es fundamental destacar dos condiciones para que exista trabajo:
  • Sin desplazamiento, no hay trabajo.
  • El desplazamiento debe tener un componente en la dirección de la fuerza aplicada.
• Energía: Es la capacidad que tienen los cuerpos para producir transformaciones o realizar un trabajo.
• Potencia: Mide la rapidez con la que se realiza un trabajo.
• Energía Potencial: Es la energía que posee un cuerpo en virtud de su posición o estado. Esta energía es distinta a la que posee en su estado de equilibrio.
• Energía Potencial Elástica: Es la energía almacenada en un cuerpo elástico (como un resorte) cuando se encuentra deformado, ya sea comprimido o estirado.

Calor y Energía Térmica

Temperatura, Equilibrio Térmico y Escalas de Temperatura

Según la teoría cinética de la materia, esta se compone de partículas que están en continuo movimiento y que, por tanto, poseen energía cinética. Cuando un cuerpo se encuentra a una temperatura elevada, sus partículas se mueven muy deprisa, es decir, tienen mucha energía cinética. Por el contrario, cuando está a baja temperatura, sus moléculas se mueven más despacio, poseyendo menos energía cinética. Por tanto, la temperatura de un cuerpo es proporcional a la energía cinética media de sus partículas.

Equilibrio Térmico

Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, ambos acaban alcanzando la misma temperatura. Se dice entonces que han llegado al equilibrio térmico. La temperatura es la magnitud común a dos cuerpos en equilibrio térmico.

Medida de la Temperatura

La temperatura se mide con el termómetro, cuyo fundamento es el equilibrio térmico.

Escalas de Temperatura

Existen diversas escalas para medir la temperatura:

• Escala Celsius (Anders Celsius): Asigna el valor de 0 ºC a la temperatura de fusión del agua y 100 ºC a su temperatura de ebullición. El intervalo termométrico entre ambos puntos se divide en 100 partes, y cada una de ellas se denomina grado centígrado.
• Escala Absoluta o Kelvin: El cero de esta escala, o cero absoluto (0 K), corresponde aproximadamente a -273,15 ºC. A esta temperatura, las partículas que forman la materia carecen de movimiento, por lo que es imposible concebir una temperatura inferior. La relación con la escala centígrada es: T (K) = T (ºC) + 273.15 (o simplemente 273 para cálculos aproximados).
• Escala Fahrenheit (Gabriel Fahrenheit): Asigna el valor 32 ºF al punto de fusión del agua y 212 ºF a su punto de ebullición.

Calor y Transferencia de Energía

El calor es el proceso de transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ellos. Es crucial no confundir calor con temperatura: un cuerpo tiene temperatura y energía interna, pero no posee calor. Los cuerpos transfieren calor, lo que resulta en una ganancia o pérdida de energía interna y, consecuentemente, un cambio en su temperatura.

Esta transferencia de energía se puede llevar a cabo mediante tres mecanismos principales:

• Conducción: Mecanismo de transferencia de energía térmica que ocurre principalmente en sólidos, sin desplazamiento macroscópico de materia. La energía se propaga desde el extremo caliente al frío a través de la vibración y colisión de las partículas adyacentes, que transmiten su energía cinética.
• Convección: Transferencia de calor que se produce por el movimiento real de la materia, principalmente en fluidos (líquidos y gases). Las diferencias de densidad, causadas por variaciones de temperatura, generan corrientes de convección que transportan la energía térmica.
• Radiación: Propagación de energía térmica a través de ondas electromagnéticas, sin necesidad de un medio material. Todos los cuerpos emiten energía por radiación en función de su temperatura.

Cantidad de Calor Transferida y Calor Específico

• Calor Específico: Es la cantidad de energía necesaria para elevar un grado Celsius (o un Kelvin) la temperatura de 1 kg de masa de una sustancia.