6.3 Transferencia de calor y equilibrio térmico

Pregunta esencial

¿Por qué se enfría el chocolate caliente?

Si dejas una bebida caliente sobre la mesa, siempre termina a temperatura ambiente. En este tema explicarás por qué, usando lo que hacen las partículas.

Temperatura y movimiento de las partículas

• La temperatura mide la energía cinética promedio de las partículas.
• En una misma sustancia, más caliente significa que las partículas se mueven más rápido en promedio.

Calor frente a temperatura

• Calor (q): energía que se transfiere por una diferencia de temperatura. Unidades: J.
• Temperatura (T): la energía cinética promedio de las partículas. Unidades: °C o K.
• Los objetos no contienen calor. El calor es energía en movimiento de un objeto a otro.

El calor se mueve por colisiones

Imagina un bloque caliente y un bloque frío del mismo metal que se tocan.

• Las partículas rápidas del bloque caliente chocan con las partículas lentas del bloque frío en el límite entre los dos.
• En esas colisiones, las partículas rápidas se frenan y las partículas lentas se aceleran.
• La energía se transfiere del objeto caliente al objeto frío. Esto es la transferencia de calor.

De caliente a frío

• La energía fluye del objeto a mayor temperatura al objeto a menor temperatura.
• Nunca fluye en sentido contrario por sí sola. Un objeto frío no puede calentar a uno caliente.

Equilibrio térmico

• El objeto caliente se enfría y el objeto frío se calienta.
• Las colisiones continúan hasta que las temperaturas son iguales. Esto es el equilibrio térmico.
• La temperatura final depende de las masas y de los calores específicos de los dos objetos, así que no siempre queda a la mitad.

En el equilibrio térmico

• Los dos objetos tienen la misma temperatura.
• Los dos tienen la misma energía cinética promedio.
• No hay transferencia neta de energía. Las partículas siguen chocando, pero la energía se mueve por igual en las dos direcciones.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: Metal en agua

Un bloque de hierro a 75°C se coloca en agua a 20°C dentro de un vaso aislado. Describe qué pasa a nivel de partículas hasta llegar al equilibrio térmico.

Mostrar la solución

1. Compara las partículas: en promedio, los átomos de hierro tienen más energía cinética que las moléculas de agua, porque el hierro está a mayor temperatura.
2. Colisiones: los átomos de hierro, con más energía cinética, chocan en la superficie del bloque con moléculas de agua que tienen menos energía cinética. La energía se transfiere del hierro al agua.
3. Cambios: los átomos de hierro pierden energía cinética, así que el hierro se enfría. Las moléculas de agua ganan energía cinética, así que el agua se calienta.
4. Equilibrio: esto continúa hasta que las energías cinéticas promedio son iguales y los dos están a la misma temperatura final, en algún punto entre 20°C y 75°C.
5. Respuesta: La energía fluye del hierro al agua por medio de colisiones hasta que los dos tienen la misma energía cinética promedio y la misma temperatura. Como el vaso está aislado, la energía que pierde el hierro es igual a la energía que gana el agua.

Ejemplo 2: Lectura de una gráfica

Las muestras X y Y se ponen en contacto. ¿Cuál muestra estaba más caliente al principio? ¿Qué es cierto sobre las muestras después del tiempo t₁? Explica usando partículas.

Mostrar la solución

1. Temperaturas iniciales: X empieza a mayor temperatura, así que sus partículas tienen mayor energía cinética promedio.
2. Dirección de la transferencia: la energía fluye de las partículas de X, que tienen mayor energía cinética promedio, a las partículas de Y. X se enfría y Y se calienta.
3. Después de t₁: las dos curvas se encuentran y se vuelven una sola línea horizontal.
4. Respuesta: X estaba más caliente al principio. Después de t₁, X y Y están en equilibrio térmico: la misma temperatura y la misma energía cinética promedio. Las partículas siguen chocando, pero no hay transferencia neta de energía.

Ejemplo 3: Comparación de la energía cinética promedio

El recipiente A contiene helio a 300 K. El recipiente B contiene argón a 300 K. ¿Qué gas tiene mayor energía cinética promedio? Justifica tu respuesta.

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1. Mira las temperaturas: los dos gases están a 300 K.
2. Relaciona con la energía cinética: la temperatura mide la energía cinética promedio, así que la misma temperatura significa la misma energía cinética promedio.
3. Cuidado con la trampa: los átomos de helio son más ligeros, así que se mueven más rápido en promedio. Pero la energía cinética depende de la masa y de la rapidez (KE = ½mv²), así que los átomos de helio, más ligeros y rápidos, y los átomos de argón, más pesados y lentos, terminan con la misma energía cinética promedio.
4. Respuesta: Ninguno. Los dos gases tienen la misma energía cinética promedio porque están a la misma temperatura.

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Práctica

La hoja de práctica llegará pronto.

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Diapositivas de la lección

• Diapositivas de 6.3 Transferencia de calor y equilibrio térmico (PDF) (en inglés)

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Ideas clave

• La temperatura mide la energía cinética promedio.
• El calor es energía que se transfiere por colisiones entre partículas.
• La energía fluye de lo caliente a lo frío.
• En el equilibrio térmico, los dos objetos tienen la misma temperatura y la misma energía cinética promedio.

De vuelta a la pregunta esencial: el chocolate caliente se enfría porque sus partículas, que en promedio tienen más energía cinética, chocan con las partículas del aire, la taza y la mesa, que están más frías, y les transfieren energía hasta que todo llega a la misma temperatura. A continuación, el Tema 6.4, Capacidad calorífica y calorimetría, donde medirás cuánta energía se transfiere.

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