1. Energía Interna. Calor y Temperatura
1 Definición de Energía. Principio de conservación de la energía.
La energía es una magnitud de difícil definición, pero de gran utilidad. Una definición general podría ser:
“La energía es una propiedad de cualquier cuerpo o sistema por la cual éste puede transformarse, modificando su
estado o posición, así como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformación.”
De forma general podríamos decir:
• Es necesario transferir (dar o quitar) algún tipo de energía a un sistema para que se produzcan cambios en el
mismo.
• Todo sistema que tenga capacidad para producir cambios, tiene energía de alguna clase.
• La energía se puede presentar en distintas formas o tipos, dependiendo de ellos se le llama de una forma u otra.
Helmholtz en 1847 enuncia lo que se considera una de las leyes fundamentales de la Física: el Principio de
Conservación de la Energía (PCE)
“La energía no se puede crear (sacar de la nada) ni destruir (eliminar, hacerla desaparecer). Únicamente se puede
transformar de una forma a otra”.
Hermann von Helmholtz. Postdam.
Alemania (1821 – 1894)
Si queremos disponer de determinada cantidad de una forma de energía sólo lo podremos conseguir transformando
una cantidad equivalente de otra forma de energía.
En resumen La energía presenta 3 propiedades básicas:
• La energía total de un sistema aislado se conserva.
• Por tanto en el Universo no puede existir creación o desaparición de energía. La energía total en el universo es
constante (PCE).
• La energía puede transmitirse (transferirse) de unos cuerpos (o sistemas materiales) a otros.
• La energía puede transformarse de unas formas a otras.
2 Energía Interna (U)
Energía térmica: La que tienen los cuerpos debido al movimiento de sus átomos, moléculas, etc. (es la suma de
todas las energías cinéticas de estas partículas). La tienen los cuerpos que tienen una temperatura mayor que 0 K.
Esta energía aumenta con la temperatura.
Energía química: Es la energía que tienen las sustancias y compuestos químicos debido a los enlaces químicos que
mantienen unidos sus átomos y moléculas. Esta energía se libera en las reacciones químicas cuando se rompen
estos enlaces (ejemplo: combustión)
Energía nuclear: Asociada a los procesos de fusión (unión de núcleos) o fisión (ruptura de núcleos) que tienen lugar
en el interior de los átomos. Se libera en un tipo de reacciones llamadas reacciones nucleares en las cuales los
átomos de un elemento químico se transforman en átomos de un elemento diferente.
Energía interna U: de un cuerpo es la suma de todas las energías de las partículas (átomos, moléculas, etc.) que
componen un cuerpo, (en particular la energía térmica la energía química y la energía nuclear).
Comentarios:
• Las partículas de un cuerpo se están moviendo de forma desordenas en todas la direcciones y constantemente. A
este movimiento se le llama agitación térmica.
• La energía interna aumenta con el movimiento (energía cinética) o agitación térmica de las partículas que
componen el cuerpo.
• Es una magnitud extensiva (aumenta con la masa del cuerpo, mas partículas ->más energía interna)

2. 3 Estados de agregación de la materia y teoría cinético molecular.
3.1 Propiedades de la materia
• Masa (m): magnitud que mide la cantidad de materia de un cuerpo (Unidades: Kg, gr, moles,..)
• Volumen (V): Magnitud que mide el espacio que ocupa un cuerpo, es extensiva. (Unidades: m3, litros, cc,...).
• Densidad (d o ρ): Mide lo concentrado que está la materia en una sustancia. Es una propiedad característica de
cada sustancia, es intensiva. (Unidades: Kg/m3, Kg/l, gr/l,...) ρ = m/V
Nota: Las distintas propiedades o magnitudes físicas que utilizamos para caracterizar la materia se dividen en dos
tipos:
• Extensivas: Cuyo valor depende de la cantidad de materia del cuerpo o sistema (si doblamos la cantidad de
materia doblamos esta cantidad)
• Intensivas: Las que su valor no depende de la cantidad de materia del cuerpo
Con esta clasificación el volumen y la masa son extensivas y la densidad intensiva1.
1
Como verás existen otras magnitudes extensivas (Energía interna, energía térmica, etc.)
e intensivas (temperatura, energía cinética media, presión,...)
La materia está formada por partículas (átomos, moléculas, iones) separadas entre sí que interactúan y se mueven
desordenadamente.
Habitualmente decimos que la materia (una sustancia) puede estar en 3 distintos estados de agregación: sólido,
líquido y gaseoso:
Estado solido Estado liquido Estado gaseoso
• Estado sólido:
o Moléculas muy cerca unas de otras ⇒ fuerzas de cohesión2 entre moléculas muy intensas.
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Fuerzas “de unión”, las fuerzas que forman los enlaces entre las distintas moléculas
o Las moléculas ocupan una posición fija en el sólido ⇒ no pueden “viajar”, (sólo vibrar)
o Por lo tanto poseen una forma definida y ocupen un volumen propio.
• En el estado líquido:
o Moléculas a mayor distancia que en los sólidos ⇒ las fuerzas de cohesión son pequeñas.
o Las moléculas pueden “viajar”.
o Ocupan un volumen propio, pero que no tienen una forma definida, sino que adoptan la del recipiente que los
contiene.
• En el estado gaseoso:
o Distancia grande entre las moléculas ⇒ fuerzas de cohesión prácticamente nulas.
o Presentan tendencia a ocupar el mayor volumen posible al poder expandirse con facilidad.
Tanto sólidos como líquidos son poco compresibles, en cambio los gases al estar formados por moléculas muy
separas entre sí, son fácilmente compresibles. Al reducir las distancias entre las moléculas disminuiría el volumen
del gas.
Figura 1: Estados de agregación de la materia

3. En los líquidos y gases, las fuerzas de cohesión entre las moléculas son muy débiles, por lo que éstas pueden
resbalar unas sobre otras fácilmente y se dice comúnmente que fluyen. El nombre fluido se aplica tanto a los
líquidos como a los gases).
4 Temperatura y Energía cinética
4.1 Concepto de Temperatura
Si en un cuerpo aumenta la agitación térmica de sus moléculas, entonces aumenta la energía cinética promedio de
éstas y por lo tanto aumenta la energía interna de este cuerpo.
“La temperatura es una magnitud que nos da una medida de la agitación o movimiento medio (de la energía cinética
media) de las moléculas de un material”.
Si agitación ↑ (más movimiento) ⇒ Energía interna ↑ ⇒ Temperatura↑
“La temperatura de un cuerpo es proporcional a la energía cinética media de las partículas (átomos, moléculas,...)
que lo componen.”
Nota: Como la temperatura mide la energía cinética promedio, es una magnitud intensiva, no depende del número
de partículas del cuerpo
5 Mecanismos de intercambio de energía: Trabajo y Calor
La energía puede transferirse entre los sistemas. Dicha transferencia se produce mediante interacciones entre los
cuerpos (o sistemas) provocando cambios en los mismos. Las interacciones pueden ser de diferentes tipos y, por
tanto, los cambios o transformaciones que se producen en los sistemas, también.
Los cuerpos pueden intercambiar energía mediante dos mecanismos: Calor y Trabajo.
5.1 Interacción mecánica: Trabajo (Práce).
En los siguientes ejemplos, se produce una interacción de carácter mecánico:

4. Ejemplos: La grúa ejerce una fuerza sobre el cuerpo que sostiene, pudiéndolo subir o bajar una determinada altura.
El chico que empuja el carro, ejerce una fuerza sobre el mismo y le produce un desplazamiento.
Cuando la interacción es de tipo mecánico, es decir, mediante la actuación de una fuerza (y siempre que haya
desplazamiento), como en los ejemplos citados, la transferencia de energía entre un cuerpo y otro se denomina
Trabajo (W).
W = F·Δs·cos(F,Δs)
Mientras se realiza trabajo sobre un cuerpo, se produce una transferencia de energía al mismo (la fuerza le “da” o le
“quita” energía al cuerpo), por lo que puede decirse que el trabajo es energía en “tránsito”, energía que va de un
sistema a otro.
5.2 Interacción térmica: Calor (Teplo).
Cuando interaccionan dos cuerpos o sistemas que se encuentran a distintas temperaturas, como en los ejemplos de
las fotos, la transferencia de energía que se produce se denomina Calor.
En uno de los ejemplos anteriores, el agua o el refresco (a mayor temperatura) ceden energía al hielo (a menor
temperatura). La consecuencia es que el agua o el refresco bajan su temperatura. En el lenguaje cotidiano decimos
que el agua "se enfría".
De manera inversa, el Sol, en el otro ejemplo, (a mayor temperatura) transfiere energía al agua del mar (a menor
temperatura) y el agua aumenta su temperatura o, como se suele decir, "se calienta".
El calor es la energía que se transfiere entre 2 cuerpos cuando tienen diferente temperatura
El calor es energía en tránsito, es decir, energía que siempre fluye de una zona de mayor temperatura a otra de
menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera.
El Calor y el trabajo no son otra forma de energía, sino energía en tránsito, la cantidad de energía que se transfiere
de un cuerpo a otro3.
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Calor y trabajo también son mecanismos de intercambio de energía entre cuerpos. El nombre se utiliza tanto para
hacer referencia a la cantidad de energía transferida como para indicar el tipo de mecanismo de intercambio de
energía (Podríamos decir que un sistema ha cedido 2julios de energía en forma de calor o simplemente que ha
cedido una cantidad de calor de 2 julios).

5. 5.3 Unidades de la energía
Tanto para la energía, como el trabajo y el calor, que son energía en tránsito, se emplea la misma unidad en el
Sistema Internacional de unidades (SI) el julio (J, Joule).
Se define como el trabajo realizado por una fuerza de 1 newton a lo largo de un desplazamiento de 1 metro.
Para el calor se emplea también una unidad denominada caloría (cal) que se define como "la energía (calor)
necesaria para elevar la temperatura de la masa de 1 gramo de agua pura en 1ºC"
1 cal = 4'186 J ó 1J=0,24 cal
Existen otras muchas unidades de energía usadas en otras ramas de la física o la tecnología como por ejemplo el
electrón-voltio (eV) usado en física nuclear o el kilovatiohora (kW·h) usado como unidad de producción de energía
eléctrica. Nota: 1kW·h =103 W·3600s =3,6·106 J
6 Equilibrio térmico. Principio cero de la termodinámica y escalas de temperatura.
6.1 Equilibrio térmico:
Como ya hemos comentado, cuando dos cuerpos a diferente temperatura se ponen en contacto de forma que
puedan intercambiar calor (se dice que están en contacto térmico), la energía térmica empieza a fluir en forma de
calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor. Esto ocurrirá hasta que se igualen sus temperaturas, a
esta situación se le llama equilibrio térmico.
Principio 0 de la termodinámica: “Si dos cuerpos A y B están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo C, ambos
cuerpos (A y B) están en equilibrio entre sí”.
6.2 Termómetros.
Un termómetro es un instrumento que se usa para medir la temperatura de un cuerpo. Para diseñar un instrumento
que mida la temperatura debemos escoger una propiedad de la materia que sea fácilmente observable, que varíe de
manera importante con la agitación de sus partículas, que sea fácil de medir y que nos permita relacionar su
variación con la agitación que tiene el cuerpo. Es decir, con los termómetros medimos la temperatura de forma
indirecta a partir de otra propiedad.
La cualidad elegida en los termómetros de mercurio es la dilatación, pero existen otros tipos de termómetros
basados en otras cualidades.
Para medir la temperatura de un cuerpo, ponemos el termómetro en contacto térmico con él y esperamos a que
alcancen el equilibrio térmico. En ese momento, podemos hacer la lectura de la temperatura porque ambos cuerpos
tienen la misma.
6.3 Escalas de temperatura
Actualmente se utilizan habitualmente 3 escalas (o sistemas) de temperatura diferentes: La escala Celsius, la escala
Kelvin (SI) y la Fahrenheit.
Para elaborar una escala de temperaturas se eligen dos situaciones con una temperatura característica y definida, y
que además sea fácilmente reproducible. En el caso de las escalas Celsius y Kelvin, estos puntos fueron:
• El punto de congelación del agua destilada (pura) a 1 atmósfera de presión (presión normal). A la temperatura de
este punto especial se le asignó el valor 0ºC (32ºF en el caso de la escala Fahrenheit4)
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En el caso de la escala Fahrenheit, para definir los puntos 0ºF y 100ºF
se utilizó el cloruro amónico (NH4Cl) en lugar del agua
• El punto de ebullición (o vaporación) del agua pura a 1 atmósfera de presión. A la temperatura de este punto se le
asignó el valor 100ºC. (212ºF en el caso de la escala Farenheit)
Después el intervalo de temperaturas entre esos dos punto se dividió en 100 partes (180 partes en el caso de la
escala Fahrenheit)

6. Puntos de referencia
Escala Punto Punto Divisiones Uso
congelación ebullición
Celsius 0º 100º Europa
Kelvin 273,15º 373,15 Científicos (SI)
Fahrenheit 32º 212º Anglosajones (EEUU, Reino Unido, etc.)
Para pasar de un sistema a otro:
De Celsius a Kelvin: T(K) = T(C) + 273,15º
De Fahrenheit a Celsius: (Cloruro amónico en agua)
El cero absoluto (0 ºK = -273,15 ºC) es la temperatura a la cual cesa toda agitación térmica y es, por tanto, la
mínima temperatura que puede alcanzar un cuerpo, la mínima temperatura que puede existir.
7. Formas de transferencia de Calor:
Existen 3 formas (o mecanismos) básicas de transferencia de calor entre los cuerpos:
• Conducción: Cuando las partículas del cuerpo van transfiriendo la energía térmica sucesivamente de una a otras
sin desplazarse por el cuerpo (cada partícula va chocando con las que están próximas a ella y les cede energía).
Esta forma de transmisión es típica de los sólidos.
• Convección: Cuando las partículas pueden viajar por el sistema (esto ocurre en los fluidos -líquidos y gases-), se
establecen corrientes donde las partículas con más energía (de zonas más calientes) se mueven hacia las zonas de
menos energía (más frías) y, de esta forma, transportan y transfieren la energía a estas zonas. Estas corrientes se
denominas “corrientes de convección”.
Como la densidad de los materiales suele disminuir al aumentar la temperatura es normal que las zona más
calientes se sitúen arriba (menos densidad, pesan menos), en cambio las zonas frías se sitúan abajo (más
densidad, pesan más). Por eso estas corrientes suelen ser verticales. Es un sistema de transmisión muy típico de la
atmósfera.

7. En los radiadores de nuestras casas pasa algo parecido. El aire cercano al radiador se caliente y asciende por
convección, mientras que el aire frío de las zonas superiores de la habitación baja. Mediante estas corrientes el
calor se transmite a toda la habitación
• Radiación: El transporte y transferencia de calor se realiza mediante la radiación electromagnética. Todo cuerpo
con una T>0ºK emite energía en forma de radiación, emite más energía cuanto mayor sea su temperatura. Es el
sistema por el cual nos llega la energía del sol y a el se debe el efecto invernadero.

8. En la siguiente figura podéis ver un ejemplo con los distintos mecanismos de transmisión de calor desde una
hoguera. Transmisión del calor mediante los 3 mecanismos existentes:
• Conducción
• Convección
• Radiación