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Energía interna

Energía interna

En el campo de la termodinámica, cuando hablamos de energía interna estamos haciendo referencia a la energía total que contiene un sistema termodinámico. En lo que sigue vamos a tratar de poner un poco de luz sobre los conceptos más importantes. Además vamos a tratar de explicar cuál es el rol que tiene este tipo de energía y dónde podemos verla.

Dicho lo anterior podemos mencionar que la energía interna es la energía que se requiere para crear un sistema. De esta manera podemos excluir de la energía interna la energía para desplazar el entorno del sistema. Así como también cualquier energía que esté relacionada con campos de fuerza externos. En este último apartado podemos mencionar por ejemplo a la energía potencia, la energía gravitatoria y algunas otras. Es síntesis podemos decir que no forman parte de la misma cualquier energía que se relacione con el movimiento.

Energía interna¿Qué es la energía interna?

La energía interna de un sistema puede ser modificada ejerciendo un trabajo sobre el mismo. También si le proporcionamos calor o energía térmica.

Si analizamos la primera ley de la termodinámica, podemos ver que la misma sostiene que el aumento de la energía interna es igual al calor total que se agrega. Esto más el trabajo que se realiza por parte del entorno. En el caso de que el sistema se encuentre aislado, la energía interna del mismo se va a mantener constante.

En otras palabras, podemos decir que la energía interna es otra función del estado del sistema. Su valor depende únicamente del estado actual del mismo, y no de lo que sucedió para llegar.

Las armas nucleares son uno de los ejemplos más claros de energía interna. La energía que es liberada por este tipo de armas es una parte muy reducida de la energía interna que poseen. Pero emiten una gran cantidad de energía y son altamente destructivas.

La energía cinética interna y la energía potencial interna

La energía interna es la suma de dos tipos de energía. Por un lado tenemos la energía cinética interna, y por el otro la energía potencial interna.

En cada momento, este tipo de energía es la suma de las energías cinéticas de cada uno de los elementos que componen un sistema con respecto a su centro de masas. La energía cinética interna se genera por el movimiento de las partículas del sistema. Es decir, por las traslaciones, las rotaciones y vibraciones.

Por su parte, la energía potencial interna es aquella energía potencial que se vincula a cada una de las interacciones de los elementos. La misma se encuentra asociada con los constituyentes estáticos de la materia. Pero no solo eso, sino además con la energía electrostática de los átomos dentro de las moléculas. También con la energía estática de los enlaces químicos.

La energía interna del gas ideal

El gas ideal es un concepto empleado en termodinámica y se trata de una aproximación de los sistemas reales. Este gas es un gas de partículas consideradas como objetos puntuales que interactuan por colisiones elásticas y llenan un volumen. De esta manera su recorrido libre promedio entre colisiones es mucho mayor que su diámetro.

Estos sistemas son aproximados por los gases monoatómicos, el helio y otros gases nobles. Es este caso, si hablamos de energía cinética simplemente nos referimos a la energía de traslación de los átomos individuales. Por su parte, las partículas monoatómicas no se mueven, es decir que no giran no vibran. Tampoco se excitan electrónicamente a energías mayores. Hay una excepción, y es cuando las temperaturas alcanzan un nivel muy elevado.

Entonces podemos decir algo muy simple. Que los cambios de la energía interna en un gas ideal pueden ser descritos por modificaciones experimentadas en su energía cinética.

Cambio en la energía interna

Si queremos medir este tipo de energía de forma directa, no vamos a poder hacerlo. Por el contrario, sí vamos a poder medir los cambios que se producen en ella. Es decir que vamos a poder medir las variaciones en otros tipos de energía que intervienen en los procesos.

Estos cambios pueden encontrarse si medimos la energía térmica. También si medimos la energía de la luz o aquellas similares que son transmitidas de los límites hacia el entorno. Incluso vamos a poder hacerlo si calculamos la cantidad de trabajo ejercido por el sistema o el trabajo realizado en el sistema.

 

Algo que debemos tener en cuenta es que el sistema de una energía de absorción se genera cuando se da un aumento de la energía doméstica. Si hacemos un trabajo en el sistema, la energía interna puede aumentar.

Por otro lado, esta energía puede disminuir cuando el sistema emite energía o simplemente funciona.

Cambios en la energía térmica

Para empezar debemos decir que en realidad el sistema no tiene energía térmica, sino que la interna se transfiere al medio en firma de energía térmica. En aquellos casos en los que se genera un cambio en la primera, el mismo se da por la transferencia de energía térmica.

Energía interna

Por otro lado, cuando un sistema termodinámico transfiere energía térmica a otro sistema, no solo varia la energía interna, sino que los dos sistemas pueden ser modificados en cualquiera de sus otras variables de estado. Por ejemplo pueden darse cambios en la presión, el volumen, la temperatura, etc.

Algunos ejemplos de energía térmica

Podemos encontrar varios ejemplos en nuestra vida cotidiana que involucren este tipo de energía. Algunos de ellos son los que vamos a explicar a continuación.

Baterías

Energía interna

En el interior de las baterías, cuando se encuentran cargadas, podemos encontrar una energía interna que podemos utilizar con varios fines. Por medio de las reacciones químicas que se producen entre los ácidos y los metales en su interior, obtenemos la energía que necesitamos

La energía interna de las baterías es mayor cuando la carga eléctrica sea completa. Por lo tanto la misma va a ser menor cuando ya esté consumida. Pero podemos mencionar el caso de las batería recargables. En estos casos la energía puede volver a aumentar si le damos electricidad.

Gases comprimidos

En segundo lugar podemos mencionar los gases comprimidos. Como ya sabemos, los gases tienden a ocupar el volumen total del recipiente que los contiene. Esto se debe a que su energía interna varia en función de que esta cantidad de espacio sea más grande o más pequeña. Si el espacio es mayor, dicha energía aumenta, y pasa lo contrario cuando el espacio es más reducido.

De esta manera, podemos decir que un gas que se encuentra disperso en una habitación tiene menor energía interna que aquél que está comprimido en un recipiente. Esto es así ya que en este último caso, las partículas que lo componen se encuentran obligadas a interactuar de manera más estrecha.

Incrementar la temperatura de algo

Si incrementamos la temperatura de cualquier cosa, ya sea que estemos hablando de un líquido, o un metal como el cobre, partiendo en ambos casos desde los cero grados, y teniendo la misma cantidad de los dos, vamos a poder comprobar algunas cosas. En primer lugar vamos a poder ver que si bien se trata de la misma cantidad de materia, el hielo necesita de mayor cantidad de energía total para llegar a la temperatura que queremos. Esto es así ya que sus partículas son menos receptivas con la energía introducida que las del cobre por ejemplo. Así se suma mucho más lento el calor a su energía interna.

Agitar un líquido

Si por ejemplo procedemos a disolver azúcar o sal en agua, o cualquier otro tipo de mezcla, luego lo más natural es que lo agitemos para que se produzca una distribución más homogénea. De esta manera la sustancia sólida se logra disolver. Esto se da porque se incrementa la energía interna del sistema al ejercer sobre el mismo una determinada cantidad de trabajo, dada por revolver el líquido. Lo que sucede es que se incrementa la reactividad química entre las partículas que participan del proceso.

Energía interna

Vapor del agua

Finalmente podemos hacer referencia al caso del vapor de agua.

Si alguna vez han hervido agua habrán notado que el vapor tiene una energía interna mayor que el agua que se encuentra en estado líquido dentro del recipiente.

La razón de que esto sea así es que, si bien se trata de las mismas moléculas para generar la transformación física se ha añadido otra energía. En realidad podemos comprobar que simplemente el compuesto sigue siendo el mismo. Esto significa que para que cambie de estado se expuso al líquido a una determinada cantidad de energía calórica que terminó por generar una mayor agitación de sus partículas.

Como se puede ver, la energía interna está presente en muchos de los procesos que vemos a diario. Solo que no estamos completamente conscientes de lo que ocurre dentro de los diferentes elementos.

Gracias a este tipo de energía es que efectivamente pueden desempeñarse muchos cambios en las materias. Así como también en los objetos que manipulamos de manera cotidiana.

Hay un basto camino para estudiar acerca de este tipo de energía, pero esperamos haber sido claros en nuestra explicación.