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La energía térmica o energía interna se define como la suma de la energía cinética y potencial asociada con los elementos microscópicos que componen la materia.
Los átomos y moléculas que forman los cuerpos tienen movimientos aleatorios de traslación, rotación y vibración. Este movimiento se llama agitación térmica.
La variación de la energía térmica en un sistema se produce mediante el trabajo o el calor.
Por ejemplo, cuando usamos una bomba manual para inflar un neumático de bicicleta, notamos que la bomba se calienta. En este caso, el aumento de la energía térmica se produjo por transferencia de energía mecánica (trabajo).
La transferencia de calor normalmente provoca un aumento en la agitación de moléculas y átomos en un cuerpo. Esto produce un aumento de la energía térmica y en consecuencia un aumento de su temperatura.
Cuando se ponen en contacto dos cuerpos con diferentes temperaturas, se produce una transferencia de energía entre ellos. Pasado un tiempo, ambos tendrán la misma temperatura, es decir, alcanzarán el equilibrio térmico.
Energía térmica, calor y temperatura
Aunque los conceptos de temperatura, calor y energía térmica se confunden en la vida cotidiana, físicamente no representan lo mismo.
El calor es energía en tránsito, por lo que no tiene sentido decir que un cuerpo tiene calor. De hecho, el cuerpo tiene energía interna o térmica.
La temperatura cuantifica las nociones de frío y calor. Además, es la propiedad que gobierna la transferencia de calor entre dos cuerpos.
La transferencia de energía en forma de calor solo ocurre debido a la diferencia de temperatura entre dos cuerpos. Ocurre espontáneamente desde el cuerpo con la temperatura más alta a la temperatura más baja.
Hay tres formas en las que se produce la propagación del calor: conducción, convección e irradiación.
En conducción, la energía térmica se transmite mediante agitación molecular. En la convección, la energía se propaga a través del movimiento del fluido calentado, ya que la densidad varía con la temperatura.
En el caso de la irradiación térmica, la transmisión se produce a través de ondas electromagnéticas.
Para obtener más información, lea también Calor y temperatura
Fórmula
La energía interna de un gas ideal, formado por un solo tipo de átomo, se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
Ser,
U: energía interna. La unidad en el sistema internacional es el joule (J)
n: número de moles de gas
R: constante de gas ideal
T: temperatura en kelvin (K)
Ejemplo
¿Cuál es la energía interna de 2 moles de un gas perfecto, que en un momento dado tiene una temperatura de 27 ° C?
Considere R = 8,31 J / mol.K.
Primero debemos cambiar la temperatura a kelvin, así tendremos:
T = 27 + 273 = 300 K
Entonces solo reemplázalo en la fórmula
Uso de energía térmica
Desde el principio, hemos utilizado la energía térmica del Sol. Además, el hombre siempre ha buscado crear dispositivos capaces de convertir y multiplicar estos recursos en energía útil, principalmente en la producción de electricidad y transporte.
La transformación de energía térmica en energía eléctrica, para ser utilizada a gran escala, se realiza en plantas termoeléctricas y termonucleares.
En estas plantas, se usa algo de combustible para calentar el agua en una caldera. El vapor producido mueve las turbinas conectadas al generador de energía eléctrica.
En las plantas termonucleares, el calentamiento del agua se realiza mediante la energía térmica liberada por la reacción de fisión nuclear de elementos radiactivos.
Las termoeléctricas, en cambio, utilizan la quema de materias primas renovables y no renovables para el mismo fin.
Ventajas y desventajas
Las centrales termoeléctricas, en general, tienen la ventaja de poder instalarse cerca de los centros de consumo, lo que reduce los costos con la instalación de redes de distribución. Además, no dependen de factores naturales para operar, como centrales hidroeléctricas y eólicas.
Sin embargo, también son el segundo mayor productor de gases de efecto invernadero. Sus principales impactos son la emisión de gases contaminantes que reducen la calidad del aire y el calentamiento de las aguas de los ríos.
Las plantas de este tipo presentan diferencias en función del tipo de combustible utilizado. En la siguiente tabla mostramos las ventajas y desventajas de los principales combustibles que se utilizan actualmente.
|
tipo de planta |
Beneficios |
Desventajas |
|---|---|---|
|
Termoeléctrico de carbón |
• Alta productividad • Bajo costo de combustible y construcción |
• Es el que más gases de efecto invernadero emite • La contaminación causa problemas respiratorios |
|
Termoeléctrica de gas natural |
• Menos contaminación local en comparación con el carbón. • Bajo costo de construcción |
• Altas emisiones de gases de efecto invernadero • Variación muy grande en el costo del combustible (asociada con el precio del petróleo) |
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Termoeléctrica de biomasa |
• Bajo costo de combustible y construcción • Bajas emisiones de gases de efecto invernadero |
• Posibilidad de deforestación para el cultivo de plantas que darán lugar a biomasa. • Disputa el espacio terrestre con la producción de alimentos. |
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Termonuclear |
• Prácticamente no hay emisión de gases de efecto invernadero • Alta productividad |
• Alto costo • Las consecuencias de los accidentes son muy graves |
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