Energía interna

¿Qué es la energía interna?

Es importante entender que esta energía interna no tiene una relación directa con la energía externa del sistema. Esto significa que:

• Si el sistema está en movimiento y tiene energía cinética, la energía interna del sistema no incluye esta energía que resulta del movimiento global del sistema.
• Si colocamos todo el sistema a una altura superior al suelo, esta energía potencial macroscópica no afecta a la energía interna del sistema.

Asimismo:

• Un sistema puede estar completamente quieto y no tener energía aparente, mientras su energía interna está cambiando.
• Por otro lado, un sistema puede estar en movimiento mientras su energía interna es constante.

Veamos un ejemplo:

En el caso de los sistemas reales, normalmente nos interesa (y, por tanto, calculamos) la variación de la energía interna durante un proceso, como un aumento de la temperatura. La energía interna también depende de cambios en la presión y el volumen del sistema.

Variaciones en la energía interna

La energía interna de un sistema puede variar por varias razones, entre ellas, las siguientes:

• La transferencia de calor: cuando se transfiere cierta cantidad de calor, desde o hacia el sistema que estamos observando, se produce un cambio en su energía interna.
• Cambios en la composición del sistema: si añadimos o eliminamos uno o varios componentes del sistema, se produce un cambio en su energía interna.
• Realización de trabajo: si un sistema realiza un trabajo, su energía interna es modificada.
• Cambios de estado de agregación: si cambiamos de estado una sustancia —por ejemplo, hacemos que pase de un estado sólido a un estado gaseoso—, se produce un cambio en su energía interna. Esto se debe a que, para pasar de un estado a otro, necesitamos cambiar la temperatura del sistema.

Fórmula de la energía interna: cálculo de energía

En la mayoría de los casos, un cambio en la energía interna provocará un cambio en la temperatura. En este caso, solo varía la energía cinética total de las partículas, mientras que la energía potencial total permanece invariable.

En resumen, la energía térmica puede considerarse como la parte cinética de la energía interna. Cuando no se produce ningún cambio de estado durante un proceso, el cambio en la energía interna es el mismo que el cambio en la energía térmica del sistema.

La ecuación que relaciona el cambio en la energía térmica y el cambio en la temperatura de un sistema es:

Cambio en la energía térmica = masa · capacidad calorífica específica · temperatura

En símbolos, esta ecuación se convierte en:

$$\Delta E=mc\Delta \theta $$

Donde:

• ΔE: es el cambio de energía térmica de un sistema.
  • La unidad estándar es el julio (J).
• m: es la masa del sistema.
  • La unidad estándar es el kilogramo (kg).
• c: es el símbolo de la capacidad calorífica específica. Se define como la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperaturade una unidad de masa de una determinada sustancia en una unidad de temperatura.
  • Cada sustancia tiene su capacidad calorífica específica constante: es una característica, como la densidad y el color.
  • La unidad estándar es el julio/(kilogramo · kelvin), (J/(kg·K). Siempre es positiva.
• Δθ: es el cambio de temperatura del sistema. Si la temperatura final es menor que la inicial, el valor será negativo.
  • La unidad estándar es el kelvin, (K).

Como puedes ver, si la masa de una sustancia no cambia durante un proceso (por tanto, tiene un valor constante), la temperatura del sistema aumentaría, si aumentáramos su energía térmica.

Para dos sistemas con dos sustancias diferentes con la misma masa y modificando por igual la energía térmica de ambos sistemas, la variación de la temperatura será diferente. Esto se debe a que las dos sustancias tendrán valores diferentes de su capacidad calorífica específica.

Ejemplos de energía interna

Ahora que ya sabemos qué son la energía térmica y la energía interna, vamos a hacer algunos cálculos, relacionando los cambios de energía térmica con los cambios de temperatura. Si no hay cambios de estado, el cambio de energía térmica es igual al cambio de energía interna.

Hagamos otro ejemplo:

Energía interna: calor y temperatura

En física, la energía se transfiere por cambios de temperatura, aplicación de fuerzas, etc. La rama que estudia esto es la termodinámica.

Ahora, imagina el sistema que quieras (y esta vez no tiene por qué ser un estadio...). Recuerda que un sistema en termodinámica es cualquier parte del universo que queramos estudiar, así que puede ser un cuerpo humano, una cierta cantidad de un líquido, una planta, o cualquier otra cosa que se te ocurra.

Fig. 1: Un sistema termodinámico con sus límites.

Las partículas con energías microscópicas se encuentran en el interior del sistema, y la suma de todas estas energías microscópicas es lo que llamamos energía interna.

Esto nos lleva a estudiar qué ocurre con la energía interna cuando se transfiere algo de energía al sistema. En nuestro caso, nos vamos a centrar en lo que ocurre cuando se aumenta la temperatura. Para ello, es necesario que haya una transferencia de energía al sistema. Entonces, bien hay que calentar el sistema, o bien hay que realizar un trabajo sobre el sistema.

La transferencia de calor provoca un cambio en la energía interna de un sistema. Del mismo modo, la aplicación de trabajo al sistema aumenta la energía interna del mismo.

Fig. 2: Transferencia de calor entre dos sistemas a diferentes temperaturas. El sistema más grande está a una temperatura más baja que el sistema que se encuentra en su interior, por lo que el flujo de calor va desde el sistema pequeño al sistema grande.

Un cambio en la energía interna de un sistema puede modificar la energía potencial o la energía cinética de las partículas:

• Si cambia la energía potencial, se habla de cambio de estado.
• Si cambia la energía cinética, se habla de cambio de temperatura.

Cambio en la energía interna

Como ya hemos visto, un cambio en la energía interna de un sistema provoca un cambio de temperatura o un cambio de estado. Veremos los cambios de temperatura en la próxima sección y nos centraremos aquí en los cambios de estado.

Como sabrás, normalmente distinguimos entre tres estados de la materia: gas, líquido y sólido. Si la temperatura de un sistema aumenta o disminuye hasta un determinado punto, que depende de la sustancia con la que estemos trabajando, puede producirse un cambio de un estado a otro. Durante este cambio de estado, la temperatura permanece constante, pero sigue habiendo un cambio en la energía interna del sistema.

En primer lugar, la energía interna del sistema puede aumentar, como resultado de la aplicación de algo de calor o trabajo. Estos son los tres cambios de estado diferentes en relación con el aumento de la energía interna:

• Un sólido se fundirá, y se obtendrá un líquido.
• Un líquido se evaporará, y se transformará en gas.
• Si tenemos un sólido y se transforma directamente en gas al aumentar la energía interna, hablamos de sublimación.

De lo contrario, podemos disminuir la energía interna de una sustancia cuando el sistema empieza a ceder calor al exterior o realiza un trabajo sobre su entorno:

• Un gas se condensará, y se obtendrá un líquido.
• Un líquido se congelará, y se transformará en sólido.
• Si la sustancia pasa de gas a sólido, sin pasar por su estado líquido, hablamos de sublimación inversa.

Fig. 3: Aumentando y disminuyendo la temperatura, podemos cambiar el estado de la materia.

¿Cuál es la diferencia entre calor y energía?

El calor y la energía son dos conceptos que están muy relacionados, pero no son lo mismo. Ya hemos visto la definición de calor:

Veamos ahora la definición de energía:

Si has llegado hasta aquí, suponemos que ya tendrás claro todo lo relacionado con la energía interna. ¡Enhorabuena!