Energía térmica

En este tema explico el concepto de energía térmica, que frecuentemente se confunde con los conceptos de calor (energía calorífica) o de temperatura, incluso en algunos libros de texto (creo que yo también he cometido este pecado en algunos de mis temas anteriores).

Como expliqué en el tema “Calor y temperatura”, la temperatura de una sustancia corresponde al movimiento de sus partículas (átomos o moléculas). A mayor movimiento de las partículas de una sustancia, su temperatura es mayor. La energía térmica es la energía asociada con la temperatura de una sustancia. Si una sustancia tiene una temperatura alta, entonces tiene mucha energía térmica; y a la inversa, si una sustancia tiene una temperatura baja, entonces tiene poca energía térmica. Por lo tanto, energía térmica y temperatura son conceptos muy relacionados; sin embargo, no son lo mismo.

Para aclarar la diferencia entre energía térmica y temperatura, consideremos el siguiente ejemplo: imaginemos un vaso y una cubeta (balde), ambos llenos con agua a 80 grados centígrados. En este caso, aunque están a la misma temperatura, el agua de la cubeta tiene más energía térmica que el agua del vaso. Y esto se debe a que la cubeta contiene más agua que el vaso y, por lo tanto, fue necesario transferir más calor al agua de la cubeta que al agua del vaso, para llegar ambos a 80 grados centígrados.

Es decir, la energía térmica no depende sólo de la temperatura de una sustancia, sino también de su masa (es una propiedad extensiva). A mayor masa de una sustancia (a una temperatura dada), su energía térmica es mayor. Por lo tanto, la energía térmica depende del movimiento de las partículas de una sustancia, pero también depende de la cantidad total de partículas. La energía térmica corresponde al total del movimiento de las partículas de una sustancia.

Por otro lado, la temperatura no depende de la masa de la sustancia (es una propiedad intensiva). Si por ejemplo, tomamos una pequeña muestra de agua de la cubeta, su temperatura seguirá siendo 80 grados centígrados, sin importar su cantidad. Por lo tanto, la temperatura no corresponde al total del movimiento de las partículas. La temperatura corresponde al promedio del movimiento de cada partícula de una sustancia.

Otro ejemplo para constatar la diferencia entre energía térmica y temperatura es el siguiente: imaginemos una taza con agua a 90 grados centígrados (casi hirviendo) y un tinaco (tanque, tonel) lleno de agua a 40 grados centígrados (templada). En este caso el agua de la taza tiene mayor temperatura; sin embargo el agua del tinaco tiene mayor energía térmica (porque su masa es mucho mayor). Bastarían dos cubos de hielo para enfriar rápidamente el agua de la taza; en cambio para enfriar totalmente el agua del tinaco, dos hielos no serían suficientes.

Un ejemplo más: imaginemos que tenemos cinco vasos con agua, todos a 50 grados centígrados, y luego los vaciamos en una jarra. En este caso, la temperatura seguirá siendo la misma, pero el conjunto tendrá mayor energía térmica (porque el agua de la jarra tiene mayor masa que la de cada vaso por separado). Es decir, existe un incremento de energía térmica, aunque la temperatura sigue siendo la misma. Este ejemplo también muestra que energía térmica y temperatura no son lo mismo.

Ahora consideremos la otra cuestión: ¿cuál es la diferencia entre energía térmica y calor (energía calorífica)? Sobre esta interrogante hay diferentes versiones confusas; algunos textos de física y química toman como sinónimos los conceptos de energía térmica y calor, pero esto no es correcto. Como también expliqué en el tema "Calor y temperatura", el calor no es una propiedad que “permanezca” en una sustancia u objeto. El calor es una forma de energía que sólo existe mientras se transfiere de una sustancia a otra, debido a una diferencia de temperaturas. Por lo tanto, en física y química no es correcto decir que un objeto o sustancia “tiene” calor. Por el contrario, la energía térmica sí es una propiedad de una sustancia; sí es algo que “permanece” en una sustancia. En este caso sí es correcto decir que una sustancia “tiene” energía térmica. Entonces, energía térmica y calor son ambas formas de energía, pero la energía térmica es energía contenida en una sustancia, mientras que el calor es energía que se transfiere de una sustancia a otra.

Un ejemplo para aclarar la diferencia entre energía térmica y calor (energía calorífica) es el siguiente: imaginemos, como expuse en el tema “Calor y temperatura”, que golpeamos reiteradamente una moneda con un martillo. Si hacemos este experimento, observaremos que la moneda se calienta, es decir, aumenta su temperatura y su energía térmica, pero sin que exista transferencia de calor, ya que de inicio no hay diferencia de temperaturas entre el martillo y la moneda. Entonces, es posible aumentar la temperatura y la energía térmica de una sustancia aplicándole fuerzas, sin que exista calor en el proceso (a esta forma de transferir energía por medio de fuerzas se le denomina “trabajo” en física). Este ejemplo muestra que energía térmica y calor no son lo mismo.

Para redondear las ideas que he explicado, planteemos finalmente la siguiente cuestión: imaginemos dos sustancias A y B; la sustancia A con masa mucho mayor que la sustancia B, pero A con menor temperatura que B. ¿Cuál sustancia tiene mayor energía térmica?; si se ponen en contacto, ¿cuál sustancia le transfiere calor a la otra? Dado que A tiene mucha mayor masa que B, entonces A tiene más energía térmica que B. Por otra parte, si A y B se ponen en contacto, el calor se transferirá de la sustancia que tiene mayor temperatura a la que tiene menor temperatura, esto es, de B hacia A. Este ejemplo muestra que el calor no necesariamente se transfiere de la sustancia con mayor energía térmica a la de menor energía térmica.

En conclusión, energía térmica, calor y temperatura son conceptos relacionados, pero diferentes. La temperatura es una propiedad correspondiente con el movimiento promedio de cada partícula de una sustancia; la energía térmica es una propiedad correspondiente con el movimiento total de las partículas de una sustancia; el calor (energía calorífica) es una forma de energía que se transfiere de una sustancia a otra debido a una diferencia de temperaturas. Pueden existir cambios de energía térmica sin cambios de temperatura (cambiando la cantidad de la sustancia); y también puede haber cambios de temperatura y de energía térmica sin transferencia de calor (producidos por trabajo).