12 Ejemplos De Energía Térmica En La Vida Cotidiana
La energía térmica se refiere a la energía que posee un objeto debido a los movimientos de las partículas dentro del objeto. Es la energía cinética interna del objeto, que proviene de los movimientos aleatorios de las moléculas y los átomos del objeto.
Si bien las moléculas y los átomos que componen la materia se mueven todo el tiempo, cuando un objeto se calienta, el aumento de la temperatura hace que estas partículas se muevan más rápido y choquen entre sí. Cuanto más rápido se mueven estas partículas, mayor es la energía térmica del objeto.
Puede escribirse matemáticamente como el producto de la constante de Boltzmann (kB) por la temperatura absoluta (T).
Energía térmica = kBT
El término «energía térmica» también puede aplicarse a la cantidad de calor transferido o energía transportada por el flujo de calor.
La energía térmica (o energía calorífica) puede transferirse de un cuerpo a otro a través de tres procesos –
- Conducción: es la forma más común de transferencia de calor, que se produce a través del contacto físico: Las transferencias de energía interna debido a las colisiones microscópicas de las partículas y el movimiento de los electrones dentro de un cuerpo.
- Convección: es la transferencia de calor de una región a otra por el movimiento de fluidos, como líquidos y gases.
- Radiación: es la transmisión de energía en forma de partículas u ondas a través del espacio o de un medio. Cuanto más caliente esté el objeto, más energía térmica irradiará.
Para explicar mejor este fenómeno, hemos reunido algunos de los mejores ejemplos de energía térmica que se ven en la vida cotidiana.
Energía solar
Tipo de transferencia de calor: Radiación
El Sol es una esfera casi perfecta de plasma caliente que convierte el hidrógeno en helio a través de miles de millones de reacciones químicas, que finalmente producen una intensa cantidad de calor.
En lugar de permanecer cerca del Sol, el calor se irradia fuera de la estrella y hacia el espacio. Una pequeña parte de esta energía (calor) llega a la Tierra en forma de luz. Se trata sobre todo de luz infrarroja, visible y ultravioleta. La transferencia de energía térmica de este modo se denomina radiación térmica.
Aunque parte de la energía térmica atraviesa la atmósfera terrestre y llega al suelo, otra parte queda bloqueada por las nubes o se refleja en otros objetos. La luz solar que llega a la superficie de la Tierra la calienta.
Según la Universidad de Oregón, toda la Tierra recibe una media de 164 vatios por metro cuadrado en un día de 24 horas. Esto significa que todo el planeta recibe 84 Teravatios de energía.
Fusión de hielo
Tipo de transferencia de calor: Convección
La energía calorífica siempre fluye de regiones de mayor temperatura a regiones de menor temperatura. Por ejemplo, cuando se añaden cubitos de hielo a la bebida, el calor se desplaza del líquido a los cubitos.
La temperatura del líquido desciende a medida que el calor se transfiere de la bebida al hielo. El calor continúa moviéndose hacia la zona más fría de la bebida hasta alcanzar un equilibrio. Esta pérdida de calor hace que la temperatura de la bebida caiga en picado.
Células de combustible
Una célula de combustible que toma hidrógeno y oxígeno como entrada
Transferencia de calor: Depende del tipo de pila de combustible
Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que convierten la energía química de un combustible y un gas oxidante en energía eléctrica. Cuando una pila de combustible funciona, una cantidad significativa de la entrada se utiliza para generar energía eléctrica, pero la parte restante se transforma en energía térmica, dependiendo del tipo de pila de combustible.
El calor producido a lo largo de este proceso se aprovecha para aumentar la eficiencia energética. En teoría, las pilas de combustible son mucho más eficientes energéticamente que los procesos convencionales: si se captura el calor residual en un esquema de cogeneración, se pueden alcanzar eficiencias de hasta el 90%.
Energía geotérmica
Tipo de transferencia de calor: Convección del manto
La energía geotérmica es el calor derivado dentro del subsuelo de la Tierra. Está contenido en los fluidos y las rocas que se encuentran bajo la corteza terrestre y puede encontrarse en las profundidades de la roca fundida caliente de la Tierra, el magma.
Se produce a partir de la desintegración radiactiva de los materiales y la pérdida continua de calor desde la formación del planeta. La temperatura y la presión en el límite entre el núcleo y el manto pueden alcanzar más de 4000°C y 139 GPa, lo que hace que algunas rocas se fundan y que el manto sólido se comporte de forma plástica.
Esto hace que partes del manto convecten hacia arriba (ya que la roca fundida es más ligera que la roca sólida circundante). El vapor y/o el agua transportan la energía geotérmica a la superficie del planeta, desde donde puede utilizarse para enfriar y calentar, o podría aprovecharse para producir electricidad limpia.
Energía térmica en el océano
Tipo de transferencia de calor: Convección y Conducción
Desde hace décadas, los océanos absorben más de 9/10 del exceso de calor de la atmósfera por las emisiones de gases de efecto invernadero. Según un estudio, el océano se ha calentado a un ritmo de 0,5 a 1 vatio de energía por metro cuadrado en los últimos diez años.
Los océanos tienen un increíble potencial para almacenar energía térmica. Dado que sus superficies están expuestas a la luz solar directa durante períodos prolongados, existe una enorme diferencia entre las temperaturas de las regiones marinas de aguas poco profundas y las de aguas profundas.
Esta diferencia de temperatura puede utilizarse para hacer funcionar un motor térmico y generar electricidad. Este tipo de conversión de energía, conocido como conversión de energía térmica oceánica, puede funcionar de forma continua y dar soporte a varias industrias derivadas.
Cocina solar
Tipo de transferencia de calor: Radiación y Conducción
Una cocina solar es un dispositivo de baja tecnología y bajo costo que utiliza la energía de la luz solar directa para calentar, cocinar o pasteurizar bebidas y otros materiales alimenticios. En un día soleado, puede alcanzar una temperatura de hasta 400°C.
Todas las cocinas solares funcionan según tres principios básicos:
- Concentrar la luz solar: El aparato contiene una superficie de espejo para concentrar la luz del Sol en una pequeña zona de cocción.
- Convertir la energía luminosa en energía térmica: Cuando la luz incide sobre un material receptor (olla), convierte la luz en calor, y esto es lo que llamamos conducción.
- Atrapar la energía térmica: Una tapa de cristal aísla el aire del interior de la olla del aire exterior, lo que minimiza la convección (pérdida de calor).
Refregarse la mano
Tipo de transferencia de calor: Conducción
Cuando te frotas las manos, la fricción convierte la energía mecánica en energía térmica. La energía mecánica se refiere al movimiento de las manos.
Como la fricción se produce debido a la atracción electromagnética entre partículas cargadas en dos superficies que se tocan, al frotar las manos se produce un intercambio de energía electromagnética entre las moléculas de nuestras manos. Esto conduce a la excitación térmica de las moléculas de nuestras manos, que finalmente produce energía en forma de calor.
Motor de calor
Tipo de transferencia de calor: Convección
Un motor térmico convierte la energía térmica en energía mecánica, que puede utilizarse para realizar trabajo mecánico. El motor toma la energía de estar caliente (en comparación con el entorno) y la convierte en movimiento.
Dependiendo del tipo de motor, se aplican diferentes procesos, como utilizar la energía de los procesos nucleares para generar calor (uranio) o encender el combustible mediante la combustión (carbón o gasolina). En todos los procesos, el objetivo es el mismo: convertir el calor en trabajo.
Ejemplos cotidianos de motores térmicos son la locomotora de vapor, el motor de combustión interna y la central térmica. Todos ellos son impulsados por la expansión de gases calentados.
Vela encendida
Tipo de transferencia de calor: Conducción, Convección, Radiación
Las velas hacen luz produciendo calor. Convierten la energía química en calor. La reacción química se llama combustión, en la que la cera de la vela reacciona con el oxígeno del aire y produce un gas incoloro llamado dióxido de carbono junto con una pequeña cantidad de vapor.
El vapor se produce en la parte azul de la llama, donde la cera arde limpiamente con mucho oxígeno. Pero como ninguna cera arde perfectamente, también producen un poco de humo (aerosol) en la parte brillante y amarilla de la llama.
A lo largo del proceso, la mecha absorbe la cera y arde para producir luz y energía calorífica.
Tostadoras eléctricas
Tipo de transferencia de calor: Radiación térmica
Una tostadora eléctrica toma energía eléctrica y la convierte en calor de forma muy eficiente. Consta de hileras de alambres finos (filamentos) que están lo suficientemente separados para tostar toda la superficie del pan.
Cuando la electricidad fluye por el alambre, la energía se transfiere de un extremo a otro. Esta energía es transportada por los electrones. A lo largo del proceso, los electrones chocan entre sí y con los átomos del alambre metálico, desprendiendo calor. Cuanto mayor sea la corriente eléctrica y más fino sea el alambre, más colisiones se producirán y más calor se producirá.
Sistemas modernos de calefacción doméstica
Tipo de transferencia de calor: Convección
Dos tipos comunes de sistemas de calefacción instalados en los edificios son los de aire caliente y los de agua caliente. El primero utiliza la energía térmica para calentar el aire y luego lo hace circular a través de un sistema de conductos y registros. El aire caliente sale de los conductos y circula por las habitaciones, apartando el aire frío.
En cambio, el segundo utiliza la energía térmica para calentar el agua y luego la bombea por todo el edificio en un sistema de tuberías y radiadores. El radiador caliente transmite la energía térmica al aire circundante. El aire caliente se desplaza entonces por las habitaciones en corrientes de convección.
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PUs y otros componentes eléctricos
Un disipador de calor refrigerado por ventilador en el procesador
Tipo de transferencia de calor: Convección y Conducción
La CPU, la GPU y el sistema en un chip disipan energía en forma de calor debido a la resistencia en los circuitos electrónicos. Las GPU de los ordenadores portátiles/de sobremesa consumen y disipan mucha más energía que los procesadores móviles debido a su mayor complejidad y velocidad.
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Se utilizan varios tipos de sistemas de refrigeración para mantener los microprocesadores a temperaturas óptimas. Un sistema convencional de refrigeración de la CPU de un ordenador de sobremesa, por ejemplo, está diseñado para disipar hasta 90 vatios de calor sin superar la temperatura máxima de unión de la CPU del ordenador.