Energía Interna

La energía interna es la agitación térmica de las partículas que componen un sistema. Es la suma de todas las formas de energía molecular (cinética y potencial) de una sustancia que reúne las formas microscópicas de energía de un cuerpo, considerando las energías potenciales microscópicas de diferente naturaleza.

¿Qué es la energía interna?

La energía interna es energía de reposo que consiste en el Movimiento caótico térmico de las moléculas que componen el cuerpo, la energía potencial de su posición relativa, la energía cinética y potencial de los electrones en los átomos, los nucleones en los núcleos, etc.

De lo anterior se deduce que la energía interna no incluye la energía cinética del movimiento del centro de masa del sistema y la energía potencial del sistema causada por la acción de fuerzas externas. Esta es la energía que depende únicamente del estado termodinámico del sistema.

¿Cómo funciona la energía interna?

Todos los objetos físicos (sólidos, líquidos y gaseosos) están formados por átomos y moléculas que están en constante movimiento.

• En los gases, los átomos y las moléculas se mueven aleatoriamente a lo largo de todo el volumen.
• En los líquidos, la longitud del camino es mucho más corta.
• En un sólido, las moléculas vibran en los nodos de la red cristalina.

Con un aumento de la Temperatura, aumenta la velocidad de movimiento de las partículas, es decir, aumenta su energía cinética:  

Todas las partículas interactúan entre sí (se atraen, se repelen) y, por lo tanto, también tienen energía potencial. La suma de estas dos energías es la energía interna del sistema.

Energía interna de un gas

La energía interna de un gas se define como la energía total del gas cuando el centro de masa del gas está en reposo. Esta energía consiste en la energía cinética de los movimientos del centro de masa de las moléculas; la energía potencial  asociada con las interacciones intermoleculares y la energía potencial asociada con las interacciones intramoleculares, como el movimiento vibratorio.

Energía interna del líquido

La energía cinética de las partículas en el líquido se debe al movimiento vibratorio de las partículas. La energía potencial tiene una magnitud menor, ya que ahora se requiere menos energía para vencer todas las fuerzas de atracción. A medida que aumenta la temperatura, la energía cinética aumenta y el potencial aumenta ligeramente porque los átomos están más separados debido al aumento de KE.

Cuando se calienta una sustancia, la energía asociada con sus átomos o moléculas aumenta, es decir, el calor se convierte en energía interna.

Energía interna de un objeto sólido

Cuando se frotan dos objetos, su energía interna aumenta debido al trabajo mecánico, el aumento de temperatura del objeto es una indicación de un aumento en la energía interna.

De manera similar, cuando un objeto se desliza sobre cualquier superficie y se detiene debido a la fuerza de fricción, el trabajo mecánico realizado sobre o por el sistema se convierte parcialmente en energía interna.

Energía interna en la termodinámica

En termodinámica, la energía interna se entiende como la energía total relacionada con las partículas que forman el cuerpo. Esta es la energía cinética del movimiento térmico de todas las micropartículas del cuerpo (moléculas, átomos, iones, etc.), la energía potencial de las interacciones de estas micropartículas, la energía de las capas de electrones de los átomos y la energía intranuclear.

Por ejemplo, a temperaturas no demasiado altas, se puede suponer que la energía interna de un gas ideal es igual a la suma de las energías cinéticas del movimiento caótico de sus moléculas y la energía interna de otros cuerpos macroscópicos, la suma algebraica de la energía cinética del movimiento térmico de todas las partículas que forman el cuerpo, y la energía potencial de su interacción.

Ejemplo energía interna termodinámica

En invierno se arroja una piedra caliente a la nieve. Debido a la reserva de energía potencial, se realiza un trabajo mecánico para triturar la nieve, y debido a la reserva de energía interna, la nieve se derrite.

Si la piedra estaba fría, la temperatura de la piedra es igual a la temperatura del ambiente, entonces solo se realizará trabajo, pero no habrá intercambio de energía interna.

Entonces, el trabajo y el calor no son formas especiales de energía, por lo que no se puede hablar de stock de calor ni de trabajo. Es una medida de la energía mecánica o interna transferida a otro sistema.

Aquí se puede hablar de la reserva de estas energías. Además, la energía mecánica se puede convertir en energía térmica y viceversa. Por ejemplo, si se golpea un yunque con un martillo, luego de un tiempo, el martillo y el yunque se calentarán (este es un ejemplo de disipación de energía).

Variación de energía interna

Un sistema puede intercambiar energía y materia con el exterior. Si el sistema es cerrado, entonces el intercambio de materia es imposible: su cantidad de materia permanece constante.

Durante las transformaciones, el sistema puede realizar transferencias de energía con el exterior. Sus intercambios de energía pueden ser de dos tipos: trabajo y transferencia de calor.

• El trabajo  W es una transferencia de energía que implica la existencia de una fuerza que actúa sobre el sistema y cuyo punto de aplicación se desplaza. La unidad de trabajo es el julio (J). Es una obra de origen macroscópico.
• Transferencia de calor: la transferencia de calor Q es una transferencia de energía de origen microscópico, que se lleva a cabo por una transferencia de energía de cerca a cerca debido al movimiento desordenado de las partículas del sistema y del exterior. Esta transferencia se produce cuando las temperaturas del sistema y del exterior son diferentes.

Ejemplos de energía interna en la Vida cotidiana

Algunos ejemplos de la energía interna expresada en las actividades de la vida diaria son:

1. Cuando el aceite reacciona con el oxígeno se libera energía potencial, ya que se forman nuevos enlaces químicos en los productos que son más poderosos que los del aceite y el oxígeno. La energía resultante de este proceso puede convertirse directamente en electricidad (como en una pila de combustible) o en energía térmica (si simplemente se quema el petróleo).
2. Un tazón de sopa caliente en el congelador. La sopa comenzará a enfriarse con el tiempo y continuará enfriándose hasta que alcance la misma temperatura que el congelador. Aquí, el calor fluye del sistema a una temperatura más alta (tazón de sopa) al sistema a una temperatura más baja (congelador). El flujo de calor se detiene cuando los dos sistemas alcanzan la misma temperatura. En otras palabras, ahora los dos sistemas están en equilibrio térmico entre sí y no hay más flujo de calor entre los dos sistemas.
3. Carga de las baterías: las reacciones químicas de los Metales pesados y los ácidos en el interior de las baterías cargadas producen energía interna. Una vez completada la carga, esta energía será mayor, cuando se haya consumido la energía interna de acuerdo al uso, ésta será menor.