Energía interna (física): definición, fórmula y cómo calcular

Cuando piensas en la palabra "energía", probablemente piensas en algo como la energía cinética de un objeto en movimiento, o tal vez la energía potencial que algo podría poseer debido a la gravedad.

Sin embargo, a escala microscópica, elenergía internaun objeto posee es más importante que estas formas macroscópicas de energía. Esta energía, en última instancia, es el resultado del movimiento de las moléculas y, en general, es más fácil de entender y calcular si se considera un sistema cerrado simplificado, como un gas ideal.

La energía interna es la energía total de un sistema cerrado de moléculas, o la suma de la energía cinética molecular y la energía potencial en una sustancia. Las energías macroscópica cinética y potencial no importan para la energía interna, si mueve la sistema cerrado completo o cambiar su energía potencial gravitacional, la energía interna sigue siendo la mismo.

Como cabría esperar de un sistema microscópico, calcular la energía cinética de la multitud de moléculas y sus energías potenciales sería una tarea desafiante, si no prácticamente imposible. Entonces, en la práctica, los cálculos de la energía interna involucran promedios en lugar del laborioso proceso de calcularla directamente.

Una simplificación particularmente útil es tratar un gas como un "gas ideal", que se supone que no tiene fuerzas intermoleculares y, por lo tanto, esencialmente no tiene energía potencial. Esto hace que el proceso de cálculo de la energía interna del sistema sea mucho más simple y no está lejos de ser preciso para muchos gases.

La energía interna a veces se llama energía térmica, porque la temperatura es esencialmente una medida de la Energía interna de un sistema: se define como la energía cinética promedio de las moléculas del sistema.

La ecuación de energía interna es una función de estado, lo que significa que su valor en un momento dado depende del estado del sistema, no de cómo llegó allí. Para la energía interna, la ecuación depende del número de moles (o moléculas) en el sistema cerrado y su temperatura en Kelvins.

La energía interna de un gas ideal tiene una de las ecuaciones más simples:

Dóndenortees el número de lunares,Res la constante universal de los gases yTes la temperatura del sistema. La constante de gas tiene el valorR= 8,3145 J mol⁻¹ K⁻¹, o alrededor de 8,3 julios por mol por Kelvin. Esto da un valor paraUen julios, como cabría esperar de un valor de energía, y tiene sentido que las temperaturas más altas y más moles de la sustancia conduzcan a una energía interna más alta.

La primera ley de la termodinámica es una de las ecuaciones más útiles cuando se trata de energía interna, y establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual al calor agregado al sistema menos el trabajo realizado por el sistema (o,másel trabajo hechoenel sistema). En símbolos, esto es:

Es muy sencillo trabajar con esta ecuación siempre que sepa (o pueda calcular) la transferencia de calor y el trabajo realizado. Sin embargo, muchas situaciones simplifican aún más las cosas. En un proceso isotérmico, la temperatura es constante y, dado que la energía interna es una función de estado, sabe que el cambio en la energía interna es cero. En un proceso adiabático, no hay transferencia de calor entre el sistema y su entorno, por lo que el valor deQes 0, y la ecuación se convierte en:

Un proceso isobárico es aquel que ocurre a presión constante, y esto significa que el trabajo realizado es igual a la presión multiplicada por el cambio de volumen:W​ = ​PAG​∆​V. Los procesos isocóricos ocurren con un volumen constante, y en estos casosW= 0. Esto deja el cambio en la energía interna igual al calor agregado al sistema:

Incluso si no puede simplificar el problema de una de estas formas, para muchos procesos, no se realiza ningún trabajo o se puede calcular fácilmente, por lo que encontrar la cantidad de calor ganado o perdido es lo principal que necesitará hacer.