¿Cuál es la diferencia entre calor y luz?

Question

Lo que sé es que la luz es una onda electromagnética. ¿Es el calor también una onda electromagnética de cierta longitud de onda distinta a la luz? ¿Por qué la onda de luz causa calor en un objeto cuando cae sobre él? ¿Y por qué un calentador eléctrico emite luz? Significa que ambos están muy relacionados, pero no entiendo la relación entre los dos.

Answer 1

En física, el calor es energía que pasa espontáneamente entre un sistema y sus alrededores de alguna manera que no sea a través del trabajo o la transferencia de materia. Cuando existe un camino físico adecuado, el calor fluye espontáneamente de un cuerpo más caliente a uno más frío. La transferencia puede ser por contacto entre la fuente y el cuerpo de destino, como en la conducción; o por radiación entre cuerpos remotos; o por conducción y radiación a través de una pared sólida gruesa; o a través de un cuerpo fluido intermedio, como en la circulación convectiva; o por una combinación de estos.

(Fuente: Wikipedia)

Entonces, en pocas palabras, hablamos de "calor" siempre que haya transferencia de energía sin trabajo o transferencia de materia. Esto es lo que se establece en la primera ley de la termodinámica:

$d U = \delta Q - \delta W$

lo cual es válido para un sistema cerrado (excluimos la transferencia de materia).

La variación de la energía interna de un sistema cerrado que no se debe al trabajo es lo que llamamos "calor".

La palabra "luz" generalmente se refiere a la luz visible, esa parte del espectro electromagnético cuya longitud de onda está entre $\sim400$ y $\sim700$ nm. Pero podemos hablar más generalmente de "radiación electromagnética" y considerar todo el espectro.

Como se indica en el artículo de Wikipedia que cité, el calor puede ser radiación entre dos cuerpos. Esto significa simplemente que "$\delta Q$" en la primera ley de la termodinámica puede deberse a radiación electromagnética.

Cada cuerpo a una temperatura $T$ diferente de $0$ emitiré radiación electromagnética (radiación térmica). Esto se debe a que los átomos dentro del material están en movimiento, lo que causa aceleraciones y desaceleraciones de las partículas cargadas de las que están hechos los átomos, y por lo tanto radiación electromagnética.

Por lo tanto, un objeto a temperatura $T$ emitirá radiación electromagnética en los alrededores (que están a temperatura $T_{e}$) y absorberá radiación de ellos. Al mismo tiempo, los alrededores emitirán y absorberán radiación electromagnética de la misma manera. Cuanto mayor sea la temperatura, más radiación habrá.

Este proceso solo se detendrá cuando $T_{e}=T$, porque en ese momento la radiación absorbida será igual a la radiación emitida. Entonces, el objeto y sus alrededores comenzarán a diferentes temperaturas y terminarán teniendo la misma temperatura. Dado que la temperatura y la energía interna están relacionadas, esto significará que la energía interna de los cuerpos ha cambiado. Dado que no ha habido trabajo ni transferencia de materia, llamamos calor a este cambio de energía, que se debió a la radiación electromagnética.

Esta es una de las posibles conexiones entre el calor y la radiación electromagnética.

Actualización: aclaración

Por supuesto, también hay radiación electromagnética que no es térmica, es decir, no se origina por la aceleración/desaceleración de cargas debido al movimiento aleatorio. Un ejemplo es la transición entre niveles de energía atómica, que es el mecanismo detrás del láser. Este tipo de radiación, por supuesto, puede utilizarse para transferir energía sin trabajo/transferencia de materia, por lo que es una especie de calor. La radiación electromagnética siempre es la misma: lo que cambia es el mecanismo que la origina.

También es evidente que se puede tener calor sin radiación electromagnética. Por ejemplo, pones dos objetos en contacto y transfieres energía por conducción.

En resumen: el calor es un cambio de energía sin trabajo/transferencia de materia. Esta transferencia puede realizarse a través de radiación electromagnética u otros medios (conducción, convección, etc.). Además, la radiación electromagnética puede originarse de diferentes formas: movimiento térmico, transiciones electrónicas, etc.

Answer 2

También están estrechamente relacionados en la vida empírica, son diferentes y los conceptos provienen, afirmaría, de diferentes teorías.

La luz es radiación electromagnética en el espectro visible que es producida por cargas en movimiento según las ecuaciones de Maxwell.

El calor es un concepto termodinámico y usualmente describe la transferencia de energía que no es trabajo (o energía transmitida a través del transporte de partículas). El calor no es algo inherente a un cuerpo sino solo una cantidad transferida de uno a otro. Las ondas de luz, cuando caen sobre un objeto, hacen que el cuerpo se caliente, es decir, que tenga una temperatura más alta. Esto no tiene nada que ver per se con el calor. La temperatura se puede entender como la velocidad del movimiento molecular, y al igual que las cargas en movimiento emiten radiación, las moléculas en movimiento también lo hacen. Por eso los objetos emiten radiación. El espectro de esa emisión, en casos sencillos, está dado por la Ley de Stefan-Boltzmann/Ley de Planck y a partir de ella se puede ver que los cuerpos cálidos emiten más radiación electromagnética.

Espero que mi explicación no tenga grandes defectos y haya podido arrojar un poco de luz sobre el asunto.

Answer 3

Una respuesta simple es que la luz tiene energía, mientras que el calor es una forma de energía.

Es similar a la diferencia entre una bola de billar y la energía cinética de la bola de billar

La radiación electromagnética clásicamente es descrita por campos, pero en el marco cuántico subyacente emerge de una confluencia de un enorme número de fotones. Los fotones, partículas elementales, similares a las bolas de billar, tienen energía pero no son energía.

Tú mencionas:

Lo que sé es que la luz es una onda electromagnética.

Es cierto, y aún más, es un fenómeno emergente de una multitud de fotones.

¿Es el calor también una onda electromagnética de cierta longitud de onda distinta a la luz?

No. El calor es una variable energética termodinámica macroscópica que, junto con la conservación de energía, describe los sistemas termodinámicos.

Energía:

En física, la energía es una propiedad de los objetos que puede ser transferida a otros objetos o convertida en diferentes formas. La "capacidad de un sistema para realizar trabajo" es una descripción común, pero es engañosa porque la energía no siempre está disponible para realizar trabajo. Por ejemplo, en unidades del SI, la energía se mide en julios, y un julio se define "mecánicamente", siendo la energía transferida a un objeto por el trabajo mecánico de moverlo una distancia de 1 metro contra una fuerza de 1 newton. Sin embargo, hay muchas otras definiciones de energía, dependiendo del contexto, como la energía térmica, energía radiante, electromagnética, nuclear, etc., donde se derivan las definiciones que son más convenientes.

Así que los objetos tienen energía, y las ondas de luz tienen energía, pero no son energía.

Tú preguntas:

¿Por qué la onda de luz causa calor en un objeto cuando incide sobre él?

Los fotones, la luz, al impactar y ser absorbidos por un objeto dejan su energía en los átomos del objeto, ya sea en forma cinética o vibracional. Las energías cinética y vibracional de los átomos en un medio definen la energía térmica del medio. Los fotones son absorbidos por los niveles mecánicos cuánticos del medio.

¿Y por qué un calentador eléctrico emite luz? ¿Significa que ambos están muy relacionados pero no entiendo la relación entre ambos?

Sí, están relacionados. Los niveles mecánicos cuánticos de los átomos en un medio que pueden absorber fotones (ondas electromagnéticas) también los emiten si están en un estado excitado. La energía para la emisión en un calentador, es decir, elevar los niveles atómicos para que puedan relajarse y emitir un fotón, se suministra mediante la electricidad.

Answer 4

El calor y la luz son diferentes pero ambos son formas de energía. El calor es una forma de energía cinética contenida en el movimiento aleatorio de las partículas de un material. La luz es una forma de energía electromagnética.

Al igual que con otras formas de energía, la energía calorífica puede transformarse en energía luminosa y viceversa.

Las partículas de un material vibran u oscilan debido a su energía cinética, como masas en muelles. Durante esta oscilación, las cargas eléctricas dentro de las partículas también están oscilando, y las cargas eléctricas oscilantes emiten radiación electromagnética (energía electromagnética), al igual que la corriente eléctrica oscilante en una antena o teléfono móvil emite ondas de radio o microondas. Cuanto mayor sea la temperatura del objeto, menor será la longitud de onda de la radiación electromagnética. Un objeto relativamente frío emite ondas infrarrojas de longitud de onda larga invisibles, mientras que un objeto muy caliente emite luz visible de longitud de onda más corta, y los objetos extremadamente calientes emiten rayos X con longitudes de onda muy cortas.

El mismo proceso actuando al revés permite a los materiales absorber radiación electromagnética (ondas de radio, IR, luz visible, etc.) con el resultado de que sus partículas vibran con más energía, haciendo que el material se caliente.

Answer 5

Un cuerpo con una temperatura más alta producirá ondas electromagnéticas de mayor energía que las ondas electromagnéticas producidas por el cuerpo a una temperatura más baja. Todas las cosas en el universo emiten ondas electromagnéticas todo el tiempo. Dado que el cuerpo a una temperatura más alta emite ondas electromagnéticas de mayor energía, cuando estas caigan sobre un cuerpo a una temperatura más baja aumentarán la energía cinética promedio (temperatura) de ese cuerpo. Esta transferencia de energía de un cuerpo a otro se llama calor. La luz también es una onda electromagnética con una frecuencia específica como sabemos. También te producirá calor si es emitida por un cuerpo a una temperatura más alta que la tuya.