Enerxía interno

En física, la enerxía interno (U) d'un sistema intenta ser un reflexu de la enerxía a escala macroscópica. Más concretamente, ye la suma de:

• la enerxía cinético interno, esto ye, de les sumes de les enerxíes cinétiques de les individualidaes que formen un cuerpu respeuto al centru de mases del sistema,
• la enerxía potencial interno, que ye la enerxía potencial acomuñada a les interacciones ente estes individualidaes.

La enerxía interno nun inclúi la enerxía cinética traslacional o rotacional del sistema como un tou. Tampoco inclúi la enerxía potencial que'l cuerpu pueda tener pol so llocalización nun campu gravitacional o electrostático esternu.

Tou cuerpu tien una enerxía acumulada nel so interior equivalente a la enerxía cinético interno más la enerxía potencial interno.

Si pensamos en constituyentes atómicos o moleculares, va ser la resultancia de la suma de la enerxía cinética de les molécules o átomos que constitúin el sistema (de les sos enerxíes de traslación, rotación y vibración) y de la enerxía potencial intermolecular (debida a les fuercies intermoleculares) ya intramolecular de la enerxía d'enllaz.

• Nun gas ideal monoatómico va bastar con considerar la enerxía cinética de traslación de los sos átomos.
• Nun gas ideal poliatómico, tendremos de considerar amás la enerxía vibracional y rotacional de les mesmes.
• Nun líquidu o sólidu tendremos d'añader la enerxía potencial que representa les interacciones moleculares.

Dende'l puntu de vista de la termodinámica, nun sistema zarráu (esto ye, de parés impermeables), la variación total d'enerxía interno ye igual a la suma de les cantidaes d'enerxía comunicaes al sistema en forma de calor y de trabayu $\Delta U=Q+W$ (en termodinámica considérase'l trabayu negativu cuando esti entra nel sistema termodinámicu, positivu cuando sale). Anque'l calor tresmitíu depende del procesu en cuestión, la variación d'enerxía interno ye independiente del procesu, namái depende del estáu inicial y final, polo que se diz que ye una función d'estáu. De la mesma $dU$ ye una diferencial exacta, a diferencia de $\eth Q$, que depende del procesu.

L'enfoque termodinámicu: la ecuación fundamental

En termodinámica deduzse la esistencia d'una ecuación de la forma :$O=O(S,V,N)\qquad$ conocida como ecuación fundamental en representación enerxética, siendo S, V y N la entropía, el volume y la cantidá de sustancia en moles, respeutivamente.

La importancia de la mesma anicia en que concentra nuna sola ecuación tola información termodinámica d'un sistema. El llogru de resultaos concretes a partir de la mesma conviértese entós nun procesu sistemáticu.

Si calculamos el so diferencial:

$dU=\left({\frac {\partial O}{\partial S}}\right)dS+\left({\frac {\partial O}{\partial V}}\right)dV+\left({\frac {\partial O}{\partial N}}\right)dN$

defínense les sos derivaes parciales:

• la temperatura $T={\frac {\partial O}{\partial S}}$
• la presión $P=-{\frac {\partial O}{\partial V}}$
• el potencial químicu $\mu ={\frac {\partial O}{\partial N}}$.

Como T, P y $\mu$ son derivaes parciales d'U, van ser funciones de les mesmes variables qu'O:

$T=T(S,V,N)\qquad P=P(S,V,N)\qquad \mu =\mu (S,V,N)$

Estes rellaciones reciben el nome de ecuaciones d'estáu. Polo xeneral nun se dispón de la ecuación fundamental d'un sistema. Nesi casu les sos sustitución pol conxuntu de toles ecuaciones d'estáu apurriría una información equivalente, anque de cutiu tengamos de conformanos con un subconxuntu de les mesmes.

Delles variaciones de la enerxía interno

Al aumentar la temperatura d'un sistema, aumenta la so enerxía interno, reflexada nel aumentu de la enerxía térmico del sistema completu, o de la materia estudiao.

Convencionalmente, cuando se produz una variación de la enerxía interno manifestao na variación del calor que puede ser vencíu, calteníu o absorbíu puede midise esti cambéu na enerxía interno indireutamente pola variación de la temperatura de la materia.

Variación ensin cambéu d'estáu

Ensin que se modificar l'estáu de la materia que compón el sistema, fálase de variación de la enerxía interno sensible o calor sensible y puede calculase d'alcuerdu a los siguientes parámetros:

$Q=C_{y}m\Delta T\!$

Onde cada términu coles sos unidaes nel Sistema Internacional son:

Q = ye la variación d'enerxía o de calor del sistema nun tiempu definíu (J).

Ce = calor específico de la materia (J/kg·K).

m = masa.

$\Delta T\!$= temperatura final del sistema - temperatura inicial (K).

Exemplu

Calcular la enerxía total d'un sistema compuestu de 1 g d'agua en condiciones normales, ye dicir al altor del mar, una atmósfera de presión y a 14 °C pa llevalo a 15 °C, sabiendo que la Ce de l'agua ye = 1 [cal/g·°C].

Aplicando la fórmula $Q=C_{y}m\Delta T\!$ y reemplazando los valores, tenemos;

Q = 1 [cal/g·°C] · 1 [g] · (15 - 14) [°C] = 1 [cal]

Enerxía cinética media d'un gas ideal

$Y_{cm}={\frac {3}{2}}(KT)={\frac {1}{2}}mv_{m}^{2}\!$

K = Constante de Boltzmann = 1,38·10^-23 J/K

$v_{m}\!$=Velocidá media de la molécula

Les propiedaes termodinámiques d'un gas ideal pueden ser descrites por dos ecuaciones:

La ecuación d'estáu d'un gas ideal clásicu que ye la llei de los gases ideales

$PV=nRT\,$

y la enerxía interno a volume constante d'un gas ideal que queda determinada pola espresión:

$U={\hat {c}}_{V}nRT$

onde :* P ye la presión

• V ye'l volume
• n ye la cantidá de sustancia d'un gas (en moles)
• R ye la constante de los gases (8.314 J·K⁻¹mol^-1)
• T ye la temperatura absoluto
• U ye la enerxía interno del sistema
• ${\hat {c}}_{V}$ ye'l calor específico adimensional a volume constante, ≈ 3/2 pa un gas monoatómico, 5/2 pa un gas diatómico y 3 pa molécules más complexes.

La cantidá de gas en J·K⁻¹ ye $nR=Nk_{B}$ onde :* N ye'l númberu de partícules de gas

• $k_{B}$ ye la constante de Boltzmann (1.381×10⁻²³J·K⁻¹).

La distribución de probabilidá de les partícules por velocidá o enerxía queda determinada pola distribución de Boltzmann.

Variación con cambéu de la composición química

Si se produz alteración de la estructura atómica-molecular, como ye'l casu de les reacciones químiques o cambéu d'estáu, fálase de variación de la enerxía interno químico o variación de la enerxía interno latente.

Esta condición de cambéu d'estáu pue calculase d'alcuerdu a:

$Q=C_{ce}m\!$

Onde $C_{ce}\!$ = Coeficiente de cambéu d'estáu, midíu en [J/kg]

Ver tamién: Entalpía

Variación nuclear

Artículu principal: Equivalencia ente masa y enerxía

Finalmente, nes reacciones de fisión y fusión fálase d'enerxía interno nuclear.

Ver tamién

• Calor
• Temperatura
• Termodinámica

Referencies

• Datos: Q180241