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Energía interna - Termodinámica

Energía interna - Termodinámica

En termodinámica, la energía interna es la energía total que contiene un sistema termodinámico.

La energía interna es la energía que se necesita para crear el sistema. Según esta definición, queda excluida de la energía interna la energía para desplazar el entorno del sistema, cualquier energía relacionada con campos de fuerza externos (energía potencial, energía gravitatória, etc) o cualquier energía asociada con el movimiento (por ejemplo, energía cinética).

La energía interna de un sistema se puede modificar ejerciendo un trabajo sobre él o bien calentándolo (proporcionando energía térmica). Si nos fijamos en la primera ley de la termodinámica vemos que esta postula que el incremento de energía interna es igual al calor total añadido más el trabajo realizado por el entorno. Si el sistema está aislado, su energía interna se mantiene constante.

La energía interna es una función de estado del sistema, ya que su valor depende sólo del estado actual del sistema y no del camino escogido para llegar a él. Es una propiedad extensiva.

Un ejemplo para entender lo qué es la energía interna lo encontramos en las armas nucleares. La energía liberada por las armas nucleares es una parte muy pequeña de su energía interna. Sin embargo, emiten una energía tremenda y tienen una gran devastación.

Energía cinética interna y energía potencial interna

La energía interna es la suma de dos tipos de energía diferentes: la energía cinética interna y la energía potencial interna.

La energía cinética interna es la suma de las energías cinéticas de cada elemento de un sistema respecto a su centro de masas. La energía cinética interna es causada por el movimiento de las partículas del sistema (traslaciones, rotaciones y vibraciones).

La energía potencial interna es la energía potencial asociada a cada una de las interacciones de estos elementos. La energía potencial interna está asociada con los constituyentes estáticos de la materia, la energía electrostática de los átomos dentro las moléculas o cristales, y la energía estática de los enlaces químicos.

Energía interna del gas ideal

La termodinámica a menudo utiliza el concepto del gas ideal. Este concepto es una aproximación de los sistemas reales que se utiliza con finalidad didáctica.

El gas ideal es un gas de partículas consideradas como objetos puntuales que interactúan solo por colisiones elásticas y llenan un volumen de tal manera que su recorrido libre promedio entre colisiones es mucho más grande que su diámetro. Tales sistemas son aproximados por los gases monoatómicos, el helio y los otros gases nobles. Aquí la energía cinética consiste solo en la energía de traslación de los átomos individuales. Las partículas monoatómicas no giran ni vibran, y no se excitan electrónicamente a energías más altas, excepto a temperaturas muy altas.

Por lo tanto, los cambios de energía interna en un gas ideal pueden ser descritos únicamente por cambios en su energía cinética. La energía cinética es simplemente la energía interna del gas perfecto y depende completamente de su presión, volumen y temperatura termodinámica.

La energía interna de un gas ideal es proporcional a su masa (número de moles) n y a su temperatura T

U = c·n·T

donde c es la capacidad calorífica (a volumen constante) del gas. La energía interna se puede escribir en función de las tres propiedades extensivas S, V, n (entropía, volumen, masa) de la siguiente manera

Energía interna en función de entropía, volumen y masa

donde const es una constante positiva arbitraria y donde R es la constante de gas universal.

Cambio en la energía interna

La medición directa de la energía interna no es posible, pero se puede medir el cambio en la energía interna. Este cambio se puede encontrar midiendo la energía térmica, la energía de la luz o energías similares transmitidas desde los límites de la energía interna al entorno, o calculando la cantidad de trabajo realizado por el sistema o el trabajo realizado en el sistema. El cambio en la energía interna se expresa mediante ΔU.

  • Sistema de una energía de absorción se produce cuando un aumento de energía doméstica. La energía interna se puede aumentar haciendo trabajo en el sistema.
  • La energía interna disminuye cuando el sistema emite una energía o funciona.

Cambios en la energía térmica de un sistema termodinámico

El sistema en realidad no tiene energía térmica; La energía interna se transfiere al medio en forma de energía térmica. En los casos en que se produce un cambio en la energía interna del sistema ocurre por la transferencia de energía térmica, una porción muy pequeña de la energía interna cambia.

Cuando un sistema termodinámico transfiere energía térmica a otro sistema, además de variar la energía interna los dos sistemas pueden experimentar alteraciones de otras de sus variables de estado (la presión, el volumen, la temperatura, la entalpía, la entropía…)

Unidades de medida de la energía interna

La unidad de medida de la energía interna, según el Sistema Internacional, es el julio (J).

A veces se habla de la energía interna específica. La energía interna específica es la energía interna por unidad de masa; su unidad es el J / kg. También se puede definir la propiedad intensiva energía interna molar, que expresa la energía interna en relación a la cantidad de sustancia; sus unidades son el J / mol.

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Última revisión: 4 de abril de 2017

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