Energía térmica

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La energía térmica es la que se produce cuando un aumento de temperatura hace que los átomos y las moléculas se muevan más rápido y choquen entre sí. Es una de varios tipos de energía, donde la energía se puede definir como "la capacidad para realizar un trabajo, donde el trabajo es el movimiento de un objeto debido a una fuerza aplicada”. En otras palabras, la energía térmica es la capacidad de un objeto para trabajar debido al movimiento de sus partículas.

La energía térmica es directamente proporcional a la temperatura dentro de un sistema dado. Como resultado de esta relación entre la energía térmica energía y la temperatura del sistema, se aplica lo siguiente: cuantas más moléculas estén presentes, mayor será el movimiento de las moléculas dentro de un sistema dado, mayor será la temperatura y mayor la energía térmica

El almacenamiento de energía térmica se define como una tecnología que permite la transferencia y almacenamiento de energía térmica o energía del hielo o del agua o del aire frío. Este método está integrado en nuevas tecnologías que complementan soluciones energéticas como la solar y la hidráulica. Las aplicaciones de almacenamiento de energía térmica se pueden aplicar en los siguientes campos como en centrales térmicas para operar más y cambios de carga rápidos.

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    Entonces... ¿Qué es la energía térmica?

    La energía térmica es la energía que proviene de una sustancia cuyas moléculas y átomos vibran más rápido debido a un aumento de temperatura. Las moléculas y átomos que forman la materia se mueven todo el tiempo. Cuando una sustancia se calienta, el aumento de temperatura hace que estas partículas se muevan más rápido y choquen unas con otras. Cuanto más caliente está la sustancia, más se mueven sus partículas y mayor es su energía térmica.

    La energía térmica y la temperatura están estrechamente relacionadas. Ambos reflejan la energía cinética de partículas de materia en movimiento. Debido a que la energía térmica se debe al movimiento de partículas, es un tipo de energía cinética, que es la energía debida al movimiento. Dando como resultado que algo tenga una temperatura interna, y esa temperatura se puede medir, por ejemplo, en grados Celsius o Fahrenheit en un termómetro.

    El calor es energía en transferencia, mientras que la energía térmica es la propiedad interna que posee un objeto antes de que se produzca la transferencia de energía como calor (a menudo una suma total de las energías cinéticas de las diversas partículas que componen el objeto en cuestión). La energía térmica constituye la base del estudio de la energía térmica y la termodinámica.

    En un sentido amplio, "energía térmica" es un término que se utiliza a menudo para describir el contenido de energía de un sistema relacionado con los efectos del calentamiento, por ejemplo, aumento o disminución de la temperatura. En termodinámica, la energía térmica es la energía interna presente en un sistema en un estado de equilibrio termodinámico en virtud de su temperatura.

    La energía térmica es la forma de energía generada en virtud de la interacción del calor y el calor es una forma de energía desorganizada. Se puede producir en todo momento, en cualquier lugar donde se pueda producir calor, al igual que la electricidad. En otras palabras, la energía térmica tiene una gran importancia ya que es muy común en el medio ambiente y puede servir como una fuente constante de energía.

    Tipos de Transferencia de energía térmica

    Cuando los átomos y las moléculas constituyentes de un cuerpo vibran, lo que lleva a un aumento de la energía interna del cuerpo (energía térmica), se establece un gradiente de temperatura. Por lo tanto, la energía térmica a menudo se clasifica en varios tipos sobre la base de cómo esta energía interna, en forma de calor, se transfiere de un cuerpo a otro. De acuerdo a las leyes de la termodinámica, está puede transmitirse por conducción, convección y radiación.

    Conducción

    La conducción es el modo principal de transferencia de calor para materiales sólidos porque las fuertes fuerzas intermoleculares permiten que las vibraciones de las partículas se transmitan fácilmente, en comparación con los líquidos y gases. La conducción es el flujo de calor a través de materiales sólidos.

    Este es un tipo de energía térmica que implica el movimiento de las partículas constituyentes de un objeto, sin movimiento del propio cuerpo. Las moléculas en la parte más caliente del objeto vibran más rápido que las moléculas en las partes más frías. Las moléculas que se mueven más rápido transfieren parte de la energía a sus vecinas que se mueven más lentamente, por lo que transfieren calor a través del objeto.

    Por lo que, una región con mayor energía térmica (calor) se corresponde con una mayor agitación molecular. Así, cuando un objeto caliente toca una superficie más fría, las moléculas altamente agitadas del objeto caliente chocan con las moléculas tranquilas de la superficie más fría, transfiriendo la energía cinética microscópica y provocando que la parte u objeto más frío se caliente.

    Convección

    La convección es la transferencia de energía térmica por partículas que se mueven a través de un fluido (ya sea un gas o un líquido). Funciona según el principio de cambios de densidad que ocurren cuando cambia la temperatura de un fluido. Cuando se calienta un fluido, la región en contacto más cercano con la fuente de calor se vuelve menos densa debido al aumento de la energía cinética en las partículas.

    Considerando que, la convección ocurre no solo dentro de un cuerpo sino también entre dos cuerpos puestos en contacto. Un fluido experimenta convección natural o forzada. Cuando se calienta un líquido o gas, su masa por unidad de volumen generalmente disminuye. Este tipo de movimiento, debido únicamente a la falta de uniformidad de la temperatura del fluido en presencia de un campo gravitacional, se denomina convección natural.

    La convección forzada es un tipo especial de transferencia de calor en el que los fluidos se ven obligados a moverse para aumentar la transferencia de calor. Este forzamiento se puede realizar con un ventilador de techo, una bomba, un dispositivo de succión u otro. Si bien la convección natural se puede utilizar dentro de las casas, la convección forzada es más común.

    Radiación

    La radiación es el flujo de calor a través de ondas electromagnéticas. Este tipo de energía térmica es fundamentalmente diferente tanto de la conducción como de la convección en que las sustancias que intercambian calor no necesitan estar en contacto entre sí. De hecho, la transferencia de energía térmica por radiación se produce entre dos cuerpos a pesar de estar separados por un vacío.

    La radiación térmica se caracteriza por la emisión de ondas electromagnéticas del material (variación de su energía interna). Dependiendo de la temperatura del material, transmite radiación que va desde el ultravioleta al infrarrojo de campo lejano. Todo el cuerpo actúa como una fuente de emisión de radiación térmica continua, y también como un receptor continuo de radiación que se origina incluso en cuerpos de campo lejano.

    En otras palabras, la radiación es bastante diferente de la conducción y la convección. No se trata de que algo caliente lleve la energía en sí ni de que los átomos la transfieran de uno a otro. Las cosas calientes producen ondas electromagnéticas y, por lo tanto, se enfrían, a menos que las mantengamos calientes. Cuando las ondas electromagnéticas golpean algo, son absorbidas y pueden elevar su temperatura.

    Usos de la energía térmica

    Hay dos formas clave en las que la energía térmica almacenada beneficia a la red en su conjunto. Primero, al utilizar el exceso de energía térmica para las necesidades de calefacción y refrigeración, esto elimina una carga eléctrica significativa de la red. La reducción de la demanda de aire acondicionado en la red es especialmente significativa en los calurosos meses de verano. La transferencia de calor sensible es una de las formas más baratas de almacenamiento de energía disponibles.

    La segunda forma es utilizar energía térmica para generar electricidad directamente, como ocurre con la tecnología de sales fundidas. Si bien los sistemas de almacenamiento de energía de batería son ideales para ráfagas rápidas de energía para suavizar las fluctuaciones en el suministro, los sistemas de sales fundidas pueden retener grandes cantidades de calor durante días; estos sistemas se pueden usar para la generación de carga base.

    También se dice que algunos dispositivos electrónicos, como las máquinas de fax térmicas, utilizan tecnología térmica. Estos dispositivos electrónicos usan calor para hacer su trabajo, a diferencia de las unidades de control de clima, que mueven el calor para hacer su trabajo. Una máquina de fax térmica, por ejemplo, genera calor a partir de la electricidad en su cabezal de impresión. Luego, aplica este calor al papel térmico especial a través de una cinta de transferencia para así imprimir.

    Los usos productivos de la energía térmica incluyen pero no se limitan a: cocinar, secar, calentar, ahumar, hornear, calentar agua, enfriar y fabricar. Existen tecnologías nuevas y eficientes que reducen significativamente la cantidad de biomasa necesaria para combustible. También existen tecnologías de energía térmica que cuentan con energía solar, que es mucho más limpia y más sostenible.

    Las tecnologías térmicas mejoradas cuentan con compartimentos cerrados para la quema de biomasa, lo que significa que se necesita menos biomasa para generar energía, lo que reduce los costos generales y genera beneficios ambientales. El calentamiento controlado en estufas y secadores también resulta en beneficios para la salud, ya que hay menos exposición al humo y aumenta la calidad de los cultivos mediante un secado uniforme sin contaminación.

    Almacenamiento y Funcionamiento

    El almacenamiento de energía térmica (también conocido como almacenamiento de calor) cubre todas las diferentes formas de almacenar energía, por lo que generalmente puede usarse para calefacción o agua caliente cuando sea necesario. Este tipo de almacenamiento es compatible con muchos tipos de sistemas de calefacción y fuentes de energía renovables. Todos generan energía que luego se puede almacenar con el equipo adecuado.

    Entre los diversos medios de almacenamiento de energía térmica, el suelo es una muy buena opción por su enorme capacidad y disponibilidad térmica. La alta inercia del suelo le permite amortiguar las oscilaciones de la temperatura ambiente y a cierta profundidad mantener una temperatura relativamente constante, por lo que esto lo convierte en una interesante fuente de calor, sumidero o medio de almacenamiento.

    Entre los sistemas de energía térmica  se encuentran los acumuladores técnicos y las baterías de calor. Los acumuladores térmicos pueden obtener la mayor parte del calor de una sola fuente, como un tanque de agua caliente estándar conectado a una caldera de gas. Las baterías de calor son una tecnología bastante nueva para el almacenamiento térmico en el hogar, utilizan algo llamado "calor latente" para almacenar su energía en forma de calor.

    Hay muchas otras formas de convertir la energía térmica en trabajo, muchas de las cuales se pueden aplicar potencialmente a los sistemas de generación de energía solar térmica. Incluyen, por ejemplo, los convertidores termoeléctricos que producen electricidad directamente del calor, los termo-fotovoltaicos que utilizan células fotovoltaicas para convertir la radiación remitida por superficies calientes, y los convertidores magneto hidrodinámicos que utilizan la expansión de gas ionizado calentado para generar una diferencia de potencial.

    En un sentido más amplio, el almacenamiento de energía térmica transfiere calor a los medios de almacenamiento durante el período de carga y lo libera en una etapa posterior durante el paso de descarga. Se puede aplicar de manera útil en plantas solares o en procesos industriales, como transformaciones metalúrgicas.

    El almacenamiento de energía térmica es una forma de almacenamiento de energía. Aprovechar esta propiedad permite utilizar diferentes materiales con diferentes propiedades térmicas y lograr varios resultados que pueden conducir a diferentes aplicaciones de almacenamiento de energía térmica (por ejemplo, calefacción y refrigeración). Puede ayudar a equilibrar la oferta y la demanda de energía diaria, semanal e incluso estacional, presentada en sistemas térmicos.

    La aplicación de almacenamiento de energía térmica con fuentes de energía renovables, calor residual o producción de energía excedente puede reemplazar la generación de calor o frío a partir de combustibles fósiles, reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y reduciendo la necesidad de capacidad de energía térmica de los generadores.

    El principio básico es el mismo en todas las aplicaciones. La energía se suministra a un sistema de almacenamiento para su extracción y uso en un momento posterior. Lo que varía principalmente es la escala del almacenamiento y el método de almacenamiento utilizado. El proceso de almacenamiento de energía térmica se puede describir en tres pasos, denominados ciclo. Estos pasos son cargar, almacenar y descargar.

    Ventajas y desventajas de la energía térmica

    Ventajas

    • La energía térmica se puede utilizar casi directamente como en la generación de energía (vapor: carbón, nuclear, etc.), cocinar alimentos, secar productos agrícolas y otros, teñir, curar madera y otros productos industriales.
    • La principal ventaja de usar energía térmica es que se puede usar fácilmente sin preocuparse mucho por la eficiencia (aunque la eficiencia es importante para las centrales eléctricas, para la mayoría de los usos generales es irrelevante).
    • La energía térmica está fácilmente disponible del sol como radiación, combustibles (convencionales como el carbón, petróleo y no convencionales como la nuclear), géiseres térmicos, calentadores, etc.

    Desventajas

    • La energía térmica debe estar disponible en cantidades sustanciales para cualquier uso eficaz.
    • A diferencia de la energía eléctrica, es casi imposible transferir o almacenar energía térmica. Para la transferencia y almacenamiento de energía se necesita un material conductor rodeado por un material no conductor para evitar cualquier pérdida / fuga que sea fácil para la energía eléctrica en comparación con la energía térmica.
    • Debido a la dificultad de almacenamiento y transferencia, grandes cantidades de energía térmica no son seguras para los humanos. Es cómodo estar dentro de una central nuclear o cerca de turbinas de una central hidroeléctrica que cerca de un pequeño horno de fundición.
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