Ahora que lo pienso, el trabajo realizado sobre un cuerpo se convierte en alguna forma de energía. Pero, ¿por qué en última instancia tiende a producir calor? En física, todos hablamos de la disipación de energía en forma de calor, pero ¿por qué no la electricidad, o incluso la luz (de una forma u otra tiende a formar calor, salvo excepciones). , y no, digamos 'muerte eléctrica'? ¿Qué mecanismo específico, si existe alguno, existe para asegurarse de que toda la energía se desperdicie como calor, y no como alguna otra forma no utilizable?
Calor significa colisiones .
La energía se puede disipar por radiación (luz o fotones). El término acuñado es "pérdidas radiativas". Es una fuente muy importante de pérdidas para los aceleradores de haz circular (o cualquier tipo de dispositivo que acelere partículas cargadas, por ejemplo, una antena) y para las naves espaciales que vuelven a entrar en la atmósfera antes de estrellarse o aterrizar en la Tierra. Una noción muy importante con respecto a las pérdidas radiativas es la de los cuerpos negros . Un cuerpo humano disipa más energía a través de la radiación como un cuerpo negro (para mantener su temperatura a 37°C) que realizando un trabajo (moviéndose, hablando, pensando, etc.).
Una noción clave para su lectura adicional: entropía .
La entropía se estudia a través de la física estadística (de la que se puede derivar la termodinámica como caso límite).
La transferencia de cantidad de movimiento de las partículas se puede considerar como un proceso aleatorio con incertidumbre acerca de la cantidad de cantidad de movimiento que se transfiere de una partícula a otra.
La transferencia de cantidad de movimiento depende del ángulo de colisión, la cantidad de movimiento de las partículas que chocan y la sección transversal de la colisión. La sección transversal contiene información sobre la interacción física (esferas duras, fuerza de Coulomb, etc.) que llamamos colisión.
Además, las colisiones entre partículas ocurren a una escala tan pequeña que se debe tener en cuenta el teorema de incertidumbre de Heisenberg de la mecánica cuántica, lo que significa que no podemos estar seguros de cómo dos partículas intercambiarán exactamente el momento.
Todo esto da como resultado una distribución de la energía de entrada dada a un sistema físico entre sus muchos componentes (1 mol = partículas). Eso es lo que llamamos disipación de energía. Para describir el estado de un sistema, usamos distribuciones de cantidad de movimiento, velocidad y energía (consulte la distribución de Maxwell-Boltzmann ).
La entropía es la cantidad que monitorea el comportamiento de esas distribuciones. El calor luego describe una transformación de la distribución (desplazamiento de la media de distribución, aplanamiento de la distribución) que está permitida por cómo debería evolucionar la entropía ( segundo principio de la termodinámica ).
Para resumir:
Calor <=> colisión <=> proceso de transferencia de momento aleatorio + incertidumbre sobre la cantidad de momento intercambiado => cambio en la entropía + modificación de la distribución de energía <=> disipación (o desperdicio) de energía
Esto se puede atribuir a la Segunda Ley de la Termodinámica que habla de Entropía. La entropía es desorden. ¿Qué es el calor? De hecho, el calor se usa para cuantificar la entropía. Para que ocurra cualquier proceso, la entropía de todo el sistema debe aumentar. Eso significa que el proceso debería dar como resultado un aumento final del desorden, lo que puede considerarse como un aumento de la temperatura, ya que este aumento del desorden es la 'producción de calor' de la que hablas.
El calor es una forma interna de energía. Es energía en tránsito , o de hecho un medio para la transferencia de energía. No me malinterpreten aquí: el calor definitivamente es energía, pero preferiría que se lo considerara un vehículo en lugar de una tienda. El otro vehículo es trabajo .
El calor es la transferencia de energía de una manera muy tosca y aleatoria. Al proporcionar calor, aumenta la temperatura y aumenta el movimiento aleatorio de las moléculas. Por lo tanto, puede atribuir el calor liberado, una forma de energía inutilizable, a un aumento en la entropía.
Hay dos tipos principales de energía, potencial y cinética. La energía potencial es la energía que tiene el potencial para realizar un trabajo. La energía cinética es la energía asociada con el movimiento. La energía cinética puede adoptar formas macroscópicas, como la traslación o la rotación de un cuerpo sólido, grandes vibraciones dentro de un sistema de partículas, el flujo de un fluido o el movimiento ondulatorio. La energía cinética también puede tomar formas microscópicas como vibración molecular, movimiento molecular incoherente, vórtices microscópicos, ondas microscópicas o radiación electromagnética, a la que llamaré energía térmica.. Todas las formas accesibles de energía se pueden interconvertir en otras formas de energía en uno o más pasos, con la excepción de la energía térmica en equilibrio, que no se puede convertir en ninguna forma macroscópica de energía. Nota: En muchos casos, la temperatura de equilibrio efectiva de la Tierra puede tomarse como la temperatura del aire ambiente, pero cuando se considera la radiación térmica del espacio, el cielo nocturno, la temperatura de equilibrio es de 2,7 K, por lo que se puede recuperar algo de trabajo útil de la radiación térmica de la Tierra.)
El número de estados de movimiento o moléculas que se mueven de una manera macroscópica coherente simple es minúsculo en comparación con el número de estados que se mueven de alguna manera "desordenada" compleja. Como resultado, es mucho más probable que los sistemas de moléculas se encuentren en un estado de "desorden" que en un estado de orden macroscópico, lo que significa que la energía cinética ordenada se convierte naturalmente en energía térmica (energía cinética desordenada). A medida que la temperatura alcanza naturalmente el equilibrio (temperatura ambiente), se vuelve imposible convertir la energía térmica en otra forma. En consecuencia, la energía térmica en el equilibrio termodinámico es el estado final local de toda la energía.
La energía fluye del sol a la Tierra y eventualmente al espacio. Una pequeña cantidad de esta energía es capturada por organismos fotosintéticos, motores termodinámicos convectivos (convección de aire y agua) y paneles solares para trabajo útil, flujo de fluidos, crecimiento y reproducción.
Termodinámica y reversibilidad de procesos.
La mayoría de las formas en que se puede almacenar energía son reversibles. Energía cinética a energía potencial gravitatoria y viceversa. Eléctrico a magnético y viceversa. Químico a eléctrico, y viceversa. La energía almacenada de una manera eventualmente se recuperará y se transformará en otra.
Sin embargo, transformar la energía térmica en cualquier otra forma requiere mucho esfuerzo: necesita un motor térmico como una celda peltier o un motor Stirling para extraer otras formas de energía de la térmica, y si se distribuye aleatoriamente en objetos alrededor de la recolección, simplemente no es viable. Entonces, la energía térmica tiende a permanecer térmica, transformándose ocasionalmente en electromagnética (fotones infrarrojos) que se envían en direcciones aleatorias y terminan transformándose en energía térmica en otros lugares. Simplemente, la pésima reversibilidad de las transformaciones de otras formas en energía térmica significa que la mayor parte de la "energía libre" termina atrapada allí, y permanece allí.
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