Lesson 3.2Thermal Energy and TemperatureChange

Thermal EnergyLesson Guides

Lesson 3.2

© The Regents of the University of California

1

72

Name: _____________________________________________ Date: ________________________

Rereading “Thermal Energy Is NOT Temperature”

Reread the third paragraph of “Thermal Energy Is NOT Temperature” (which begins, “Since the two containers of soup began at the same temperature, the molecules in the bowl of soup and the mug of soup started off with the same average kinetic energy”). Think about the Investigation Question as you read. Be sure to review any diagrams you find in the text as these may also be used as evidence. Then, use the evidence you gathered from the text and the diagrams to answer the Investigation Question.

What determines how much total kinetic energy something has?

___________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________

Thermal Energy—Lesson 3.2—Activity 2

© 2018 The Regents of the University of California. All rights reserved. Permission granted to photocopy for classroom use.

Thermal Energy Is NOT Temperature D1

Thermal Energy Is NOT TemperatureImagine that you and your little brother are sitting in the kitchen on a cool autumn day. There’s a pot of soup on the stove and both of you are hungry. You pour yourself a big bowl of soup, but your little brother can’t eat that much, so you pour some into a small mug for him. When you go to taste the soup, however, you realize it is still too hot. You could wait for the soup to cool by itself, but you’re hungry now, so you grab two identical ice cubes from the freezer. You drop one into the bowl of soup and one into the mug of soup.

Once both ice cubes have melted, you take a spoonful of soup from the bowl. The temperature is perfect—warm and hearty but not too hot. You infer that your brother’s soup is the same temperature. “Have some,” you say. Your brother dips his spoon into the mug, takes a sip, and makes a face. “Mine’s cold,” he says. At first, you think he’s just complaining, but then you take a sip from his mug. It really is cold! What happened? Both the bowl of soup

and the mug of soup started off at the same temperature and you added identical ice cubes to each, so why did his mug get cold while your bowl stayed warm?

Since the two containers of soup began at the same temperature, the molecules in the bowl of soup and the mug of soup started off with the same average kinetic energy. However, that doesn’t mean they had the same thermal energy. Thermal energy is the total kinetic energy of the molecules of an object or material, and not the average kinetic energy. Each molecule in an object or sample adds its kinetic energy to the total kinetic energy. The bowl contains a lot more soup than the mug, and because soup is made of molecules, more soup means more molecules. Each additional molecule contributes the kinetic energy of its movement to the total kinetic energy. As a result, your bowl of soup has much higher total kinetic energy (thermal energy) than your brother’s mug.

A bowl of soup is hot because its molecules have a lot of kinetic energy.

Th

erm

al E

ner

gy

Is N

OT

Tem

per

atu

re

© 2

018

Th

e R

egen

ts o

f th

e U

niv

ersi

ty o

f Cal

iforn

ia. A

ll ri

ghts

res

erve

d.

Per

mis

sio

n gr

ante

d to

pu

rch

aser

to p

hot

oco

py

for

clas

sro

om

use

. Im

age

Cre

dit

: Sh

utt

erst

ock

.

D2 Thermal Energy Is NOT Temperature

Why is this important? Well, since the two ice cubes are identical, we know that the bowl of soup and the mug of soup each have to transfer the same amount of kinetic energy to the ice to melt it. In both cases, transferring that energy to the ice makes the soup cool down. However, in the case of the mug, this transfer of energy cools the soup much more because the mug doesn’t have a very high total kinetic energy to begin with. The bowl has a much higher total kinetic energy because it contains a lot more molecules, each of which adds some energy to the total. Thanks to these extra molecules, the same transfer of kinetic energy has a smaller effect on the temperature of your bowl of soup than it does on your brother’s mug.

Let’s say you put your brother’s mug of soup in the microwave to heat it up again. Now it’s very hot—much hotter than your bowl of soup. The average kinetic energy of the molecules in your brother’s cup of soup is higher than the average kinetic energy of the molecules in your bowl of soup. What about the total kinetic energy (thermal energy)? Is it possible that your bowl of soup could have a lower average kinetic energy (temperature), but a higher total kinetic energy (thermal energy)? Yes! Your bowl of soup probably has a higher total kinetic energy than your brother’s mug of soup because it contains more molecules. All of those molecules contribute to its total kinetic energy. To calculate the total kinetic energy of something, add up the kinetic energy of all of its molecules. So even when something has a low average kinetic energy (temperature) and isn’t very warm, it can have a high total kinetic energy (thermal energy) if it has a whole lot of molecules.

Now imagine that you’re waiting for your soup to cool down, and you leave it on the counter while you go do your homework. Your homework is so interesting that you forget all about your soup, and now it’s cold! Actually, if you were to measure the temperature, you’d

find that your soup is the same temperature as the air in the room. What’s going on?

If you think of your bowl of soup and the air in the room as two parts of a system, then the explanation goes like this: Your soup is hotter and the air is cooler. Since energy always transfers from warmer things to cooler things, the kinetic energy of the molecules in your soup is transferred to the molecules in the air as the molecules collide with each other. The system continues to change—transferring kinetic energy between the soup and the air—until the soup and the air reach the same temperature (that is, their molecules have the same average kinetic energy). The soup and the air are in a stable state of equilibrium.

Your soup seems to have cooled down quite a bit, but you probably don’t notice any change in the temperature of the air. This is because there are many, many more air molecules than soup molecules, so the air has a much higher total kinetic energy (thermal energy) than the soup, and you would need to transfer a lot more energy in order to change the air’s average kinetic energy (temperature).Remember, thermal energy and temperature are not the same thing.

The bowl of soup on the left is the same temperature as the mug of soup on the right because both are made up of molecules moving at about the same speed, so they have the same average kinetic energy (temperature). However, because the bowl of soup is made up of more molecules, it has a higher total kinetic energy (thermal energy). T

her

mal

En

erg

y Is

NO

T T

emp

erat

ure

©

20

18 T

he

Reg

ents

of t

he

Un

iver

sity

of C

alifo

rnia

. All

righ

ts r

eser

ved

. P

erm

issi

on

gran

ted

to p

urc

has

er to

ph

oto

cop

y fo

r cl

assr

oo

m u

se.

72

Nombre: _____________________________________________ Fecha: _______________________

Volver a leer “Energía térmica NO es lo mismo que temperatura”

Vuelve a leer el tercer párrafo de “Energía térmica NO es lo mismo que temperatura” (el cual comienza con “Ya que los dos contenedores de sopa comenzaron a la misma temperatura, las moléculas en el tazón de sopa y la taza de sopa comenzaron con la misma energía cinética promedio”). Piensa sobre la Pregunta de Investigación mientras lees. Asegúrate de repasar cualquier diagrama que encuentres en el texto, puesto que estos también pueden ser utilizados como evidencia. Luego, usa la evidencia que reuniste del texto y los diagramas para responder la Pregunta de Investigación.

¿Qué determina cuánta energía cinética total tiene algo?

___________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________

Energía térmica—Lección 3.2—Actividad 2

© 2018 The Regents of the University of California. All rights reserved.

Energía térmica NO es lo mismo que temperatura D1

Energía térmica NO es lo mismo que temperaturaImagina que tú y tu hermanito están en la cocina en un fresco día otoñal. Hay una olla de sopa en la estufa y ustedes dos tienen hambre. Te sirves un plato de sopa grande, pero tu hermanito no puede comer tanto, así que a él le sirves en una taza pequeña. Cuando vas a probar la sopa, sin embargo, te das cuenta de que todavía está muy caliente. Podrías esperar a que la sopa se enfríe por sí misma pero tienes hambre ahora, así que agarras dos cubos de hielo idénticos del congelador. Le echas uno al plato de sopa y uno a la taza de sopa.

Una vez que ambos cubos de hielo se hayan derretido, tomas una cucharada de sopa del plato. La temperatura está perfecta, tibia y reconfortante pero no muy caliente. Infieres que la sopa de tu hermano tiene la misma temperatura. “Prueba”, le dices. Tu hermano mete su cuchara a la taza, toma un sorbo y hace un gesto. “La mía está fría”, te dice. Al principio crees que se está quejando solamente, pero después tomas un sorbo de su taza. ¡De verdad que está fría! ¿Qué pasó? Tanto el plato de sopa como la taza de sopa empezaron a la misma temperatura y les echaste cubos de hielo

idénticos a cada uno, ¿entonces por qué se enfrió la taza y tu plato permaneció tibio?

Ya que ambos contenedores de sopa comenzaron a la misma temperatura, las moléculas en el plato de sopa y la taza de sopa comenzaron con la misma energía cinética promedio. Sin embargo, eso no significa que hayan tenido la misma energía térmica. La energía térmica es la energía cinética total de las moléculas de un objeto o material, y no la energía cinética promedio. Cada molécula en un objeto o muestra suma su energía cinética a la energía cinética total. El plato contiene mucho más sopa que la taza, y puesto que la sopa está compuesta por moléculas, más sopa significa más moléculas. Cada molécula adicional contribuye la energía cinética de su movimiento a la energía cinética total. Como resultado, tu plato de sopa tiene una energía cinética total (energía térmica) mucho más alta que la taza de tu hermano.

¿Por qué es importante esto? Bueno, como los dos cubos de hielo son idénticos, sabemos que el plato de sopa y la taza de sopa tienen que

Un plato de sopa está caliente porque sus moléculas tienen mucha energía cinética.

Co

lisio

nes

de

mo

lécu

las

y el

pén

du

lo d

e N

ewto

n

© 2

018

Th

e R

egen

ts o

f th

e U

niv

ersi

ty o

f Cal

iforn

ia. A

ll ri

ghts

res

erve

d,

En

ergí

a té

rmic

a N

O e

s lo

mis

mo

qu

e te

mp

erat

ura

©

20

18 T

he

Reg

ents

of t

he

Un

iver

sity

of C

alifo

rnia

. All

righ

ts r

eser

ved

. I

mag

e C

red

it: S

hu

tter

sto

ck.

D2 Energía térmica NO es lo mismo que temperatura

transferir la misma cantidad de energía cinética al hielo para derretirlo. En ambos casos, transferir esa energía al hielo hace que la sopa se enfríe. Sin embargo, en el caso de la taza esta transferencia de energía enfría mucho más la sopa porque para empezar, la taza no tiene una energía cinética total muy alta. El plato tiene una energía cinética total mucho más alta porque contiene muchas más moléculas, cada una de las cuales añade un poco de energía al total. Gracias a estas moléculas adicionales, la misma transferencia de energía cinética tiene un efecto menor en la temperatura de tu plato de sopa que en la taza de tu hermano.

Digamos que colocas la taza de sopa de tu hermano en el microondas para calentarlo de nuevo. Ahora está muy caliente, mucho más caliente que tu plato de sopa. La energía cinética promedio de las moléculas en la taza de sopa de tu hermano es más alta que la energía cinética promedio de las moléculas en tu plato de sopa. ¿Y qué hay de la energía cinética total (energía térmica)? ¿Es posible que tu plato de sopa podría tener una energía cinética promedio (temperatura) más baja, pero una energía cinética total (energía térmica) más alta? ¡Sí! Tu plato de sopa probablemente tiene una energía cinética total más alta que la taza de sopa de tu hermano porque contiene más moléculas. Todas aquellas moléculas contribuyen a su energía cinética total. Para calcular la energía cinética total de algo, suma la energía cinética de todas sus moléculas. Incluso si algo tiene una energía cinética promedio (temperatura) baja y no está muy caliente, puede tener una energía cinética total (energía térmica) alta si tiene un montón de moléculas.

Ahora imagina que estás esperando a que tu sopa se enfríe, y la dejas sobre el mesón de la cocina mientras que haces tu tarea. Tu tarea está tan interesante que te olvidas por completo de tu sopa y ¡ahora está fría! En realidad, si tomaras la temperatura encontrarías que tu sopa tiene la misma temperatura que el aire en el ambiente. ¿Qué está sucediendo?

Si piensas en tu plato de sopa y el aire en el ambiente como dos partes de un sistema, la explicación es la siguiente: Tu sopa está más caliente y el aire estás más frío. Ya que la energía siempre se transfiere desde cosas más calientes a cosas más frías, la energía cinética de las moléculas en tu sopa es transferida a las moléculas en el aire al colisionar las moléculas unas con otras. El sistema sigue cambiando, transfiriendo energía cinética entre la sopa y el aire, hasta que la sopa y el aire lleguen a la misma temperatura (es decir, hasta que sus moléculas tengan la misma energía cinética promedio). La sopa y el aire están en un estado de equilibrio estable.

Pareciera que tu sopa se enfrió bastante, pero probablemente no notas ningún cambio en la temperatura del aire. Esto se debe a que hay muchas, pero muchas más moléculas de aire que moléculas de sopa, por lo que el aire tiene una energía cinética total (energía térmica) mucho más alta que la sopa, y tendrías que transferir mucha más energía para poder cambiar la energía cinética promedio (temperatura) del aire. Recuerda, energía térmica y temperatura no son lo mismo.

El plato de sopa a la izquierda tiene la misma temperatura que la taza de sopa a la derecha porque ambos están compuestos por moléculas moviéndose a una rapidez relativamente igual, así que tienen la misma energía cinética promedio (temperatura). Sin embargo, debido a que el plato de sopa está compuesto por más moléculas, tiene una energía cinética total (energía térmica) más alta. E

ner

gía

térm

ica

NO

es

lo m

ism

o q

ue

tem

per

atu

ra

© 2

018

Th

e R

egen

ts o

f th

e U

niv

ersi

ty o

f Cal

iforn

ia. A

ll ri

ghts

res

erve

d.

El d

ilem

a d

e u

n d

um

plin

g: a

ceit

e o

agu

a

© 2

018

Th

e R

egen

ts o

f th

e U

niv

ersi

ty o

f Cal

iforn

ia. A

ll ri

ghts

res

erve

d.

Im

age

Cre

dit

: Dig

iPu

b/G

etty