En el campo de la termodinámica se consideran una cantidad de aspectos que permiten entender el estado de los sistemas y las transformaciones que en ellos ocurren, uno de esos aspectos es la llamada energía interna.
Este tipo de energía está relacionada con el movimiento aleatorio y desordenado de las partículas y tiene mucho que ver con las energías cinética y potencial de un cuerpo.
Para ayudarte a comprender mejor todo esto hemos preparado este artículo enfocado en este tipo de energía, qué es, cómo se representa, cuáles son sus características, cómo se estudia desde la termodinámica y cómo puede calcularse la variación total de la energía interna de un sistema.
Qué es la energía interna
La energía interna de un sistema se identifica como la energía relativa al movimiento aleatorio y desordenado de las moléculas.
Esta energía en un sistema incluye energía potencial y cinética. Esto contrasta con la energía externa, que es una función de la muestra con respecto al entorno exterior.
Este tipo de energía incluye energía a escala microscópica. Es la suma de todas las energías microscópicas tales como: energía cinética de traslación, energía cinética vibracional y rotacional, energía potencial de fuerzas intermoleculares.
El símbolo con el que se representa la energía interna es U.
Los descubrimientos sobre esta energía se atribuyen a James Joule (1818-1889) quien estudió la relación entre calor, trabajo y temperatura. Observó que si hacía trabajo mecánico con un fluido, como el agua, agitando el fluido, su temperatura aumentaba. Propuso que el trabajo mecánico que estaba haciendo en el sistema se convirtiera en energía térmica.
Específicamente, descubrió que se necesitaban 4185.5 julios de energía para elevar la temperatura de un kilogramo de agua en un grado centígrado.
Características de la energía interna
Las principales características que permiten comprender el estudio de esta energía son las que a continuación describimos.
En principio, es una propiedad extensiva, esto quiere decir que depende del tamaño del sistema o de la cantidad de sustancia que contiene.
Además, es propiedad del estado y su cambio no depende del camino por el cual se alcanza el estado final.
De la misma forma, tenemos que no habrá ningún cambio en la energía interna en el proceso cíclico, la energía interna del gas ideal es una función de la temperatura solamente.
Asimismo, esta depende de la cantidad de la sustancia, su temperatura, naturaleza química, presión y volumen.
Por otro lado, esta energía no incluye la energía debida al movimiento o la ubicación de un sistema en su conjunto. Es decir, excluye cualquier energía cinética o potencial que el cuerpo pueda tener debido a su movimiento o ubicación en campos externos gravitacionales, electrostáticos o electromagnéticos.
Sin embargo, incluye la contribución de dicho campo a la energía debido al acoplamiento de los grados internos de libertad del objeto con el campo. En tal caso, el campo se incluye en la descripción termodinámica del objeto en forma de un parámetro externo adicional.
Energía interna y trabaj0
- La energía que ingresa al sistema es Positiva (+), lo que significa que el calor se absorbe, Q> 0. El trabajo se realiza así en el sistema, W > 0.
- La energía que sale del sistema es Negativa (-), lo que significa que el sistema emite calor, Q<0 y el sistema realiza el trabajo, W < 0.
- Dado que Sistema aislado = 0, ΔUsistema = -Usistemas y la energía se conserva.
Energía interna y termodinámica
Por consideraciones prácticas en termodinámica o ingeniería, rara vez es necesario, conveniente, o siquiera posible, considerar todas las energías que pertenecen a la energía intrínseca total de un sistema de muestra, como la energía dada por la equivalencia de masa.
Normalmente, las descripciones solo incluyen componentes relevantes para el sistema en estudio. De hecho, en la mayoría de los sistemas bajo consideración, especialmente a través de la termodinámica, es imposible calcular la energía interna total. Por lo tanto, se puede elegir un punto de referencia nulo conveniente para la energía interna.
A cualquier temperatura mayor que el cero absoluto, la energía potencial microscópica y la energía cinética se convierten constantemente entre sí, pero la suma permanece constante en un sistema aislado. En la imagen clásica de la termodinámica, la energía cinética se desvanece a temperatura cero y la energía interna es puramente energía potencial.
Sin embargo, la mecánica cuántica ha demostrado que incluso a temperatura cero, las partículas mantienen una energía residual de movimiento, la energía del punto cero.
Un sistema en cero absoluto está meramente en su estado fundamental cuántico-mecánico, el estado de energía más bajo disponible. En el cero absoluto, un sistema de composición dada ha alcanzado su entropía mínima alcanzable.
Fórmula de energía interna
La fórmula para calcular la variación total de energía interna de un sistema es:
ΔU = Q + W
En la fórmula anterior, las variables representan:
Q : Calor
W: Trabajo
Es decir, que es igual a la suma de las cantidades de energía comunicadas al sistema en forma de calor (Q) y de trabajo (W).
Aunque el calor transmitido depende del proceso, la variación de energía interna no depende de ello, sino únicamente del estado inicial y final, por lo tanto se explica como una función de estado.
¿Por qué en ocasiones hay valores negativos?
En el estudio de la energía interna se debe tomar una temperatura como referencia y cuyo valor es cero.
Si el sistema funciona a una temperatura más baja que la referencia, entonces la energía interna es negativa.
Por ejemplo: Si se establece cero energía interna a 25 ° C, y el sistema tiene una temperatura de 20 ° C, entonces la energía interna es negativa. Pero es una diferencia, no es un parámetro absoluto.
