¿Por qué algo se calienta más cuando se realiza un trabajo mecánico sobre él?

El trabajo negativo realizado por la fricción cinética toma la energía cinética macroscópica del objeto sobre el que realiza el trabajo y la convierte en la energía cinética microscópica de las moléculas del papel de lija y los materiales de la pared, reflejada por un aumento en la temperatura de la superficie de los materiales. . En efecto, la acción de fricción entre los materiales aumenta el movimiento molecular y, por lo tanto, la energía cinética de las moléculas de los materiales.

El aumento de temperatura de la superficie del papel de lija y los materiales de las paredes no se debe al calor. El calor es la transferencia de energía debido únicamente a la diferencia de temperatura entre los objetos. Si el papel de lija y la pared están inicialmente a la misma temperatura, no puede haber transferencia de energía en forma de calor. El aumento de temperatura se debe al trabajo de fricción.

Considere el hecho de que puede calentar la superficie de sus manos frotándolas rigurosamente. El aumento de temperatura de tu piel se debe al trabajo de fricción, no al calor. Por otro lado, si pones las manos frente al fuego, también se calentarán. Pero en este caso se debe a la transferencia de calor radiante del fuego a tus manos, debido a la diferencia de temperatura inicial entre tus manos y el fuego.

Espero que esto ayude.

En resumen, el calentamiento debido al roce de las superficies tiene las mismas raíces que el calentamiento Joule , que induce un aumento de temperatura en un conductor cuando los electrones a la deriva interactúan con los iones de la red sólida, produciendo fonones, es decir, ondas de sonido cuantizadas. Así, en principio, todo lo que genera ondas sonoras en un cuerpo lo calienta más a medida que se introducen en la red nuevos grados de libertad vibratoria. El frotamiento hace que las impurezas de la superficie en contacto choquen, se deformen y se relajen nuevamente, lo que a su vez produce ondas de sonido reticulares. La misma explicación vale para aserrar, forjar clavos, etc., y todo lo que genera ondas de presión dentro de la red de átomos del cuerpo.

El calor generado por el movimiento mecánico surge debido a la fricción, como se señaló en las otras respuestas dadas anteriormente. Tenga en cuenta que también se puede generar a nivel molecular al obligar a las moléculas adyacentes a "frotar" entre sí dentro de un trozo de material sólido.

Los científicos de materiales llaman a esto fricción interna y es la razón por la cual un trozo de caucho sólido puede calentarse lo suficiente como para prenderse fuego al flexionarlo hacia adelante y hacia atrás lo suficientemente rápido como para que no pueda conducir el calentamiento por fricción lo suficientemente rápido como para evitar que su temperatura suba. .

Esta es también la razón por la que puede calentar un trozo de alambre de acero blando doblándolo cíclicamente hacia adelante y hacia atrás, solo que en este caso se trata de átomos de hierro que se ven obligados a deslizarse hacia adelante y hacia atrás uno contra el otro.

Una buena manera de modelar la termodinámica de un sistema como este (que involucra fricción deslizante) es tratar la interfaz entre los cuerpos (el papel de lija y la mesa) como un subsistema termodinámico separado. La interfaz no tiene masa, por lo que su cambio en energía interna siempre es cero. El papel de lija ejerce una fuerza de fricción en la dirección x positiva sobre la interfaz a través de un desplazamiento en la dirección x positiva; esto hace un trabajo en la interfaz igual a W (la fuerza multiplicada por el desplazamiento). La mesa ejerce una fuerza de fricción igual en la dirección x negativa sobre la interfaz, pero sin desplazamiento; esto no funciona Entonces, el trabajo de fricción neto realizado en la interfaz por la combinación de papel de lija y mesa es solo el trabajo realizado por el papel de lija, W.

Si aplicamos la primera ley de la termodinámica a este subsistema interfaz, obtenemos:

A medida que su mano empuja el papel de lija, se realiza un trabajo mecánico negativo en su mano y un trabajo mecánico positivo en el papel de lija. Estos son (en el caso ideal) de igual magnitud para que no se pierda energía mecánica entre la lija y la mano.

A medida que el papel de lija empuja la pared, se realiza un trabajo mecánico negativo sobre el papel de lija pero (en el caso ideal) no se realiza ningún trabajo mecánico sobre la pared. Como resultado, se pierde energía mecánica en la región de contacto entre el papel de lija y la pared.

Esta energía mecánica se convierte en energía térmica en la región de contacto entre la lija y la pared. En términos técnicos, es una condición límite de flujo de calor o un flujo de calor superficial. Eso significa que es una región donde se genera una cierta cantidad de energía térmica y luego fluye hacia el material a través de procesos termodinámicos normales. Este flujo de calor aumenta la temperatura del material justo en la región de contacto y luego la conducción lo lleva normalmente al resto de la lija.

No es el trabajo mecánico realizado sobre el papel de lija, sino la diferencia entre el trabajo mecánico realizado por y sobre el papel de lija lo que es la fuente de este flujo de calor. En otras palabras, se realiza una gran cantidad negativa de trabajo mecánico sobre el papel de lija y el papel de lija no realiza ningún trabajo mecánico, y la diferencia da como resultado un gran flujo de calor positivo. Y este flujo de calor aumenta la temperatura.

Debe separar dos ideas aquí, que parece que se está confundiendo.

Hacer trabajo, no implica calentar .

(Además, como corolario, el trabajo negativo y positivo tampoco significan ganar o perder calor).

En términos simples de física, hacer trabajo significa que una fuerza actuó a lo largo de una distancia. Entonces sí, mover papel de lija es un tipo de trabajo. Pero si dejaras caer un objeto en la luna, la gravedad trabajaría sobre él, pero no habría fricción en absoluto, ni calentamiento ni enfriamiento. De manera similar, cuando estás en un automóvil o avión acelerando, el motor del automóvil/avión funciona y te mueve.

Pero no experimenta fricción o calentamiento debido a ese trabajo. A lo sumo, el exterior del vehículo puede calentarse, y una pequeña parte de eso podría transmitirse a usted, pero eso no es fricción, es el calor habitual de un objeto caliente. O su asiento se comprime microscópicamente a una cantidad fija y luego está estático, y nuevamente eso no es fricción.

En tu ejemplo, el papel de lija adquiere calor porque al presionar la superficie, forma pequeños enlaces eléctricos con la superficie. A medida que lo mueves, esos lazos deben romperse y luego rehacerse, romperse y rehacerse, constantemente. Eso es parte de por qué necesita usar más fuerza para mover el papel de lija (imagine la poca fuerza que necesitaría si estuviera engrasado o hecho de teflón). Y esa actividad constante también distorsiona constantemente la superficie del papel de lija, ya que "atrapa" y se libera, atrapa y se libera.

No estoy seguro, técnicamente, si es la constante creación y ruptura/atrapamiento y liberación de enlaces, o la constante distorsión resultante de la superficie, lo que en realidad es responsable del efecto de calentamiento de la fricción.

Pero es uno de esos dos.

La siguiente respuesta es una reescritura mucho más detallada de mi respuesta anterior, que algunas personas aquí no parecen entender.

Esta es una pregunta difícil de responder, y ninguna de las respuestas que he leído aquí responde realmente a la pregunta. Intentan dar la impresión de que la sustitución de palabras es una explicación.

La temperatura de un material está directamente relacionada con la energía vibratoria de las moléculas/átomos que componen el material. Las moléculas/átomos de los sólidos se mantienen en su lugar por sus fuerzas mutuas. Pero esas fuerzas solo crean una posición neutral, con la vibración de interés ocurriendo alrededor de esa posición neutral. ¿Cómo entonces el roce aumenta esa vibración?

Tengo entendido que la frecuencia de esta vibración está fijada por la mecánica cuántica, bien arriba en los multiterahercios. y por lo tanto frotar no puede cambiar esa frecuencia. Sin embargo, puede cambiar la amplitud, como explicaré.

Con la analogía resorte/masa hecha para estos fenómenos, cambiar la amplitud y mantener constante la frecuencia da como resultado velocidades de vibración más altas y, por lo tanto, temperaturas más altas. Esa es la idea básica, y aquí están los detalles.

Entonces, ¿cómo cambia el frotamiento la amplitud vibratoria? Respuesta: los átomos/moléculas tanto del material frotado como del frotado contactan físicamente con los del otro material o se acercan tanto a este último que las fuerzas electrostáticas aumentan entre las partículas de ambos materiales. Además, el desplazamiento del material de fricción es muchos órdenes de magnitud mayor que la amplitud de vibración de las partículas en ambos materiales. Así, ya sea por contacto directo o contacto suficientemente cercano entre las partículas de ambos materiales, las partículas pertinentes en ambos materiales son forzadas a desplazamientos que son mucho más grandes que sus amplitudes de vibración. De hecho, el desplazamiento forzado rompe algunos de los interenlaces de estos materiales y sus superficies se desgastan.

Por lo tanto, una partícula vibrante que no puede ser empujada demasiado lejos de su posición neutral volverá a vibrar, pero ahora con una amplitud mayor, ya que la "condición inicial" para la nueva vibración es mayor que la amplitud antes de frotar. Las mayores amplitudes de vibración que se producen en las superficies de contacto imponen, a su vez, mayores amplitudes de vibración en las partículas cercanas, y el calentamiento del material a granel se produce por difusión.

Se puede ver fácilmente cómo tal proceso requiere una transferencia de energía del caucho al frotado. Se necesita energía para aumentar la amplitud de la vibración, de la misma manera que se necesita energía para empujar a alguien en un columpio a amplitudes más altas. Los niveles de energía involucrados son menores para aquellos que simplemente aumentan las temperaturas que para aquellos involucrados en la ruptura de enlaces intermoleculares e interatómicos, que es lo que ocurre con la abrasión, el desgaste y el lijado.

En el caso de un gas, donde es la energía de traslación la que define la temperatura (no los modos de rotación y vibración internos) podemos considerar que el roce crea una capa límite y, en las situaciones más violentas, crea también grandes remolinos turbulentos. Pero la pregunta original se refiere solo a los sólidos, por lo que reservaré la explicación detallada de este caso para una nueva pregunta.