¿Presión = Calor? Si no, ¿Calor=Radiación?

Digamos que tenemos un gas encerrado en un recipiente. Suministrarle calor provocará un aumento en la (¿magnitud de?) la vibración de las partículas de gas en el medio. Aumentar la presión del gas en el recipiente (por ejemplo, disminuyendo su volumen) también aumentará el alcance de la vibración. Entonces, ¿qué diferencia la presión del calor?

Tomemos el caso simple de un gas ideal donde la energía interna depende solo de la temperatura y la temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas del gas. Puede aumentar la temperatura (lo que llama aumento en la vibración de las partículas de gas, pero para un gas ideal en realidad aumenta las velocidades de traslación de las partículas) ya sea por transferencia de calor$Q$al gas, o realizando un trabajo$W$comprimir el gas (aumentar la presión) sin transferencia de calor, o una combinación de los dos según la primera ley

Entonces, "lo que diferencia el aumento de la presión del calor" es que el primero es la transferencia de energía al gas por trabajo (compresión), mientras que el segundo es la transferencia de energía por calor (diferencia de temperatura). El resultado final es el mismo (mayor energía cinética), pero el mecanismo para lograr el resultado es diferente (calor versus trabajo).

1. El calor es una sensación que siente un cuerpo vivo (en virtud de algún receptor o algo...)

Tomando como ejemplo la piel, el calor es una sensación que se siente cuando los termorreceptores de la dermis de la piel se exponen a temperaturas elevadas.

2. Por lo tanto, la expresión física del suministro de calor puede ser la misma que la del (exceso) de presión del suministro.

Aunque tanto el calor como el trabajo (compresión) pueden aumentar la temperatura, depende de a qué se apliquen. Ya he discutido el caso de un gas arriba. Pero si por "expresión física" se entiende la sensación de calor por la piel, no sería lo mismo la transferencia de energía por calor que por trabajo en forma de compresión (exceso de presión) porque la piel no es un gas.

Para elevar la temperatura de la piel por medio del calor, necesita estar en contacto con algo más alto que la temperatura normal de la superficie de la piel (alrededor de 33 C). La transferencia de energía más común por trabajo sería el trabajo de fricción. El trabajo de fricción es lo que calienta tus manos cuando las frotas vigorosamente en un día frío.

En cuanto a la sobrepresión, el tipo de trabajo sería$pdV$o trabajo de presión-volumen. Ese es el tipo de trabajo que eleva la temperatura y la presión de un gas al comprimirlo. Ese tipo de trabajo realizado en la piel probablemente no haría que su temperatura aumentara. A diferencia de un gas que es altamente comprimible, los líquidos y los sólidos lo son mucho menos. Se necesitan presiones extremadamente altas para elevar la temperatura del agua unos pocos grados. La piel humana es aproximadamente un 64% de agua.

3. El efecto sobre el movimiento de las moléculas de gas no necesariamente determina nada.

El efecto del movimiento de las moléculas de gas es aumentar o disminuir su temperatura.

1. Cuando sentimos calor, esa sensación debe tener algo que ver con el aumento de la aleatoriedad del movimiento de las "moléculas receptoras de calor" en la piel, y tal vez su colisión entre sí... (¿así es como funcionan?)

Esto es básicamente correcto, como ya expliqué. Pero no es la "aleatoriedad" del movimiento per se, sino un aumento en la magnitud de los movimientos de las moléculas lo que aumenta la energía cinética y la temperatura que los termorreceptores detectan e interpretan como calor.

2. La forma en que se pueden excitar (vibrar) las "moléculas receptoras de calor" es mediante el suministro de energía radiante, ya que esa sería la mejor manera de excitarlas rápidamente (porque de lo contrario, la única opción que queda es vibrarlas mecánicamente)

Esto entra en la fisiología de cómo funcionan los termorreceptores, que es algo para lo que no estoy calificado. Sin embargo, el medio de transferencia de calor más rápido es por conducción (contacto con una superficie sólida caliente), no por radiación térmica.

Vibrar mecánicamente los termorreceptores si es probable que esté involucrado cuando eleva la temperatura de la piel por el trabajo de fricción, el roce de las manos como se discutió anteriormente. Pero es poco probable que el trabajo de compresión (pdV) lo haga.

Esto significa que un parche de energía radiante es integral y necesario para sentirse caliente.

Eso no es correcto. La transferencia de calor a la piel por conducción y convección también puede calentar la piel y hacerlo más rápido que por radiación térmica.

ACTUALIZAR :

Pero para que quede claro nuevamente, mi pregunta básicamente es: ¿cuál es la naturaleza fundamental del calor?

La naturaleza fundamental del calor es la transferencia de energía entre sustancias debido únicamente a una diferencia de temperatura entre los dos.

¿Es solo energía radiada a través del vacío, que a veces choca con partículas para producir vibraciones, o es también la vibración?

Hay tres mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. La energía transferida a través del vacío entre objetos de diferente temperatura es transferencia de calor radiante.

El calor no choca con las partículas. El calor tampoco es la vibración real de las partículas. El calor es la transferencia de la energía cinética del movimiento de vibración, rotación y traslación de partículas de una sustancia a otra sustancia. El calor no es la vibración real de las partículas mismas. Eso se llama energía interna, específicamente energía cinética interna.

En el caso de la radiación a través del vacío, la energía cinética del cuerpo de mayor temperatura se transfiere al cuerpo de menor temperatura mediante ondas electromagnéticas o, desde el punto de vista de las partículas, mediante fotones. Los fotones enviados por el cuerpo de mayor temperatura a través del vacío son absorbidos por las partículas (átomos, moléculas, etc.) del cuerpo de menor temperatura aumentando su vibración, rotación y/o movimiento de traslación, dependiendo de la energía del fotón.

En el caso de conducción y convección, la energía se transfiere por colisiones entre las partículas de mayor y menor temperatura.

¿Cómo explicaría la conducción como calor?

La conducción de calor es la transferencia de energía cinética del cuerpo de mayor temperatura al cuerpo de menor temperatura debido al contacto directo entre los cuerpos. Se diferencia de la radiación en que la radiación no requiere contacto directo.

¿Y qué diferencia la conducción/convección de la presión?

La conducción y la convección son transferencia de energía por calor. La presión en sí misma es solo una fuerza (es decir, fuerza por unidad de área) y no es energía ni transferencia de energía. Sin embargo, la presión puede transferir energía provocando el desplazamiento de un objeto o sustancia. Cuando se aplica una presión constante a un gas que hace que cambie su volumen, la fuente de esa presión transfiere energía a ese gas en forma de trabajo.$W=P\Delta V$.

Espero que esto ayude.

La temperatura de un gas es una propiedad macroscópica que se puede relacionar con la energía cinética de traslación promedio de sus moléculas.

Presión =$\frac{F}{A}$y$F = \frac{d\mathbf p}{dt}$

La fuerza promedio en un área dada de un contenedor puede estar dada por:

$F = n\frac{\Delta p_k}{\Delta t}$dónde$n$es el número de colisiones en el intervalo de tiempo$\Delta t$, y$\Delta p_k$es el cambio promedio de cantidad de movimiento en la dirección normal a la pared para cada colisión.

Por tanto, no es necesario que la temperatura aumente para elevar la presión. Si se reduce el volumen, aumentará el número de colisiones por tiempo. Incluso para el mismo cambio promedio de momento de cada colisión (lo que está relacionado con la energía cinética y la temperatura).

Sobre la forma en que nuestra piel procesa la sensación de calor, la diferencia entre estar muy cerca de un lingote de acero caliente (recibiendo principalmente radiación) y tocarlo es enorme. Un trabajador puede estar de pie durante algún tiempo en el primer caso, pero en el segundo, sin guantes, el daño ocurre en una fracción de segundo. Entonces, creo que la radiación no es el único proceso de flujo de calor a la piel.

El aumento de la presión del gas no siempre tiene que ser por la disminución del volumen. También se puede mantener constante el volumen pero, al mismo tiempo, aumentar la presión del gas suministrando calor, aumentando así la temperatura. Eso puede explicarse mediante el diagrama pT, o más generalmente, el diagrama pVT.

Sin embargo, tenga en cuenta que hay calor sensible que puede aumentar/disminuir la temperatura y calor latente que se necesita para cambiar la fase (ejemplo de fase de agua a fase de gas)

Casi 2 meses después, parece que encontré una respuesta adecuada a mi propia pregunta.

Mi pregunta estaba dirigida a cómo la presión es diferente del calor, si ambos involucran la vibración de las partículas .

https://youtu.be/v3pYRn5j7oI

Y ahí está, el Dr. Richard P. Feynman, contándonos cómo :)

Resulta que el grado de vibración es lo que difiere entre los dos, el calor y la presión. En el video, el Sr. Feynman explica lúcidamente cómo el calor no es más que átomos agitados excitados por algún aporte de energía . Este es (quizás) el punto preciso de diferencia entre el calor y la presión . La presión son moléculas que se han vuelto rebeldes, pero solo a un nivel molecular . Pero el calor implica incluso que los átomos se vuelvan rebeldes .

Me gustaría mantener mi respuesta corta. Comente si detecta algún error o si tiene algo que objetar en lo que tengo que decir.

No soy un experto en los aspectos microscópicos, pero agrego lo siguiente. El calor está asociado con la temperatura y la temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas. La presión puede hacer trabajo y la presión es una medida de la fuerza normal promedio por unidad de área de las partículas en una superficie.

A continuación se presenta una discusión sobre el calor y el trabajo a nivel macroscópico.

Creo que su ejemplo del gas en el contenedor necesita aclaración. El resultado del calor o trabajo (de la presión) es un aumento en la energía interna del gas. El calor y el trabajo son energía que se transfiere a través de los límites de un sistema; el gas no tiene calor y no tiene trabajo; tiene energía interna que es cambiada por calor y/o trabajo realizado sobre el gas.

Aquí hay una discusión macroscópica de la diferencia entre calor y trabajo. El calor y el trabajo son diferentes, según sus definiciones en termodinámica. Para un sistema, la termodinámica define el calor como energía que cruza un límite del sistema, sin transferencia de masa, únicamente debido a una diferencia de temperatura. El trabajo es energía que cruza la frontera de un sistema, sin transferencia de masa, debido a cualquier diferencia de propiedad intensiva que no sea la temperatura. Entonces, el trabajo es un concepto muy amplio, no solo el concepto de trabajo de fuerza, tiempo y distancia que se usa en mecánica. [Por ejemplo, el trabajo mecánico es una fuerza que actúa a lo largo de una distancia; el trabajo eléctrico es energía eléctrica que cruza la frontera de un sistema]. Un sistema termodinámico "abierto" es uno con un posible flujo de masa hacia/fuera del sistema además del posible calor/trabajo realizado sobre/por el sistema.

Entonces, la presión que mueve la frontera de un sistema está asociada con el trabajo y la transferencia de calor por radiación está asociada con el calor, y el efecto de cualquiera en el sistema es un cambio en la energía interna del sistema.

Para su ejemplo, si la presión del entorno actúa rápidamente para comprimir el gas, se realiza un trabajo sobre el gas; hay poca transferencia de calor entre el entorno y el gas para una compresión rápida incluso si el entorno y el gas están a diferentes temperaturas iniciales (hasta más tarde, cuando el gas y el entorno finalmente alcanzan la misma temperatura). La temperatura del gas aumenta por el cambio en la energía interna del gas debido al trabajo realizado sobre el gas. Para un gas ideal, la energía interna es función únicamente de la temperatura y, según la ley de los gases ideales, un aumento de la presión provoca un aumento de la temperatura.