En física, ¿cómo ilustraría la diferencia entre calor, energía térmica y temperatura para un laico?

[Pregunta original: ¿Cómo ilustraría la diferencia entre energía térmica y temperatura para un laico? “]

Técnicamente, “energía térmica” es un uso incorrecto del término “calor”. El ‘calor’ no es una energía en sí mismo, sino un modo de transferencia de energía (el otro es el trabajo). Lo que probablemente quiere decir es “energía interna”, que es la suma total de la energía de las partículas constituyentes de un sistema con la excepción de la energía cinética y potencial del sistema en su conjunto. No podemos medir directamente la energía interna de un sistema, pero podemos parametrizar los cambios en la energía interna. El parámetro que usamos se llama ‘temperatura’. La escala de temperatura se define eligiendo dos puntos de referencia apropiados y un esquema de interpolación entre ellos (que generalmente es lineal pero también puede ser de orden cuadrático o superior). Si hay un gradiente de temperatura entre dos puntos, la energía como calor se transferirá desde un punto de temperatura más alta a una temperatura más baja hasta que la temperatura de ambos puntos alcance el mismo valor (que se conoce como equilibrio térmico).

EDITAR: dado que el OP solicitó una analogía, la mejor es la de dos camiones cisterna de posiblemente diferentes tamaños y diferentes alturas, columnas de agua conectadas entre sí por una tubería. Si se abre la tubería contigua, el agua fluirá desde el punto con mayor presión a la menor presión hasta que la presión en ambos puntos tenga el mismo valor. Aquí la presión del agua es análoga a la temperatura, el volumen de agua en los dos camiones cisterna es análogo a la energía térmica / interna y esta forma particular de transferir de un recipiente a otro debido a la diferencia de presión es análoga al calor.

Daría el siguiente ejemplo:

Pon dos botellas de agua en el refrigerador. La primera botella contiene 5 ml de agua y la otra botella tiene un litro. Después de algún tiempo, los 5 ml de agua de la primera botella se congelarán y alcanzarán 0 grados Celsius de temperatura. Pero el agua de la segunda botella no se congelará.

Luego le preguntaría a los legos que el refrigerador toma la misma cantidad de calor de la botella en el mismo intervalo de tiempo, y luego por qué la primera botella se congela primero. Obviamente, si el lego considera la temperatura y el calor como una cosa, no podrá responder.

Luego le explicaría que la energía total tomada de la primera botella es igual a la energía tomada de la segunda botella, pero la primera botella tiene menos número de moléculas. Entonces, en promedio, la molécula de la primera botella tiene menos energía en comparación con la energía de la molécula de cualquier segunda botella (tenga en cuenta la palabra ‘promedio’. Estoy omitiendo detalles de la distribución de boltzman para el laico). Esta energía promedio por molécula se llama temperatura y es responsable del efecto de congelación.

Intenté la misma explicación a un estudiante de décima clase y funcionó. Quizás también pueda funcionar para un laico si esa persona es lo suficientemente paciente como para escucharte.

Golpea, abofetea, patea o haz lo que quieras hacer, solo haz que sienta el dolor.
Luego pregúntale qué sintió.
La próxima vez, aumenta la fuerza de tu golpe y repite la pregunta.
Ahora viene la explicación: pregúntele qué diferencia sintió y cómo surgió la diferencia.
Obviamente, su respuesta será que sintió más dolor porque pones más energía en el segundo golpe.
Eso es: misión cumplida:
Explíquele acerca de las diferentes energías que pone en los golpes, y cuán diferente las sintió: aquí el calor es la energía y el dolor que se sentiría sería la temperatura, un indicador de cómo medir la energía puesta en la acción.

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