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La energía interna

2015-10-20

La energía interna de un sistema termodinámico es una forma de energía que se debe a su naturaleza intrínseca y no puede calcularse directamente a partir de las magnitudes mecánicas macroscópicas.

El primer principio de la termodinámica indica que la energía es una magnitud física que se conserva. Ahora bien, si intentamos cuantificar la energía de un sistema termodinámico, nos encontramos con problemas. Hagamos aplicación del primer principio a un sistema cerrado en un proceso adiabático que conecta un estado de equilibrio con otro estado de equilibrio. El primer principio define el incremento en la energía total E como el trabajo adiabático neto Wadiabático aplicado sobre el sistema en cualquier proceso adiabático:

ΔEWadiabático.

Los experimentos confirman que, en efecto, con estados inicial y final fijos, el trabajo adiabático es siempre el mismo independientemente del proceso seguido para ir de un estado al otro. La mecánica clásica sugiere que esta energía que es igual al trabajo podría ser igual al hamiltoniano (la energía mecánica): la suma de la energía cinética Ec y la energía potencial Ep, ambas fácilmente calculables a partir de magnitudes macroscópicas como la velocidad y la posición. Sucede que en casi cualquier sistema de interés para la termodinámica la energía total no es la energía mecánica macroscópica:

ΔEc + ΔEpWadiabático.

Lo que pasa es que nos dejamos parte de la energía por contar. Esta energía, la energía interna, se debe a propiedades intrínsecas del sistema en cuestión. Nos referiremos a ella con la letra U y la definimos de la siguiente manera:

ΔUWadiabático − ΔEc − ΔEp.

El estado de un sistema macroscópico (el macroestado) emerge del estado detallado (el microestado) de las numerosas partículas que lo conforman. Está claro que puede haber formas de energía que no contemplamos si nos limitamos a calcular la energía mecánica del sistema macroscópico: por ejemplo, hay energía potencial debida a las interacciones entre partículas y hay una energía cinética debida al movimiento de las partículas relativo al movimiento agregado del conjunto. El microestado puede ser muy complicado y, además, el sistema va en general de un microestado a otro continuamente. Si conociéramos el estado de un sistema a la perfección al nivel del microestado, podríamos calcular la energía total y además las magnitudes agregadas que permiten calcular la energía cinética del centro de masas y la energía potencial macroscópica, con lo que podríamos hacer una simple resta y calcular la energía interna. Sucede que en equilibrio termodinámico, igual que las magnitudes agregadas que sirven para calcular la energía mecánica macroscópica no varían, tampoco varía la energía interna esperada.

La energía interna es una variable de estado.


Categorías: Física

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