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Jetzt kostenlos anmeldenImagina que hoy es fin de semana y tienes entradas para ir al estadio a ver el partido de tu equipo favorito. Como has estado leyendo un montón de artículos de StudySmarter, ahora eres científico a tiempo completo. Así que, una vez sentado con tu bebida y tus aperitivos, miras a tu jugador favorito y te lo imaginas como una partícula. Y, cuando apartas la mirada, todo el campo ya no es un terreno de juego, sino un espacio lleno de partículas físicas.
Quieres disfrutar del partido, por supuesto, pero antes te viene una pregunta a la cabeza y necesitas responderla. ¿Tiene un sistema de partículas reales, energía cinética total, similar a la que tienen los jugadores en el campo?
La respuesta a esta pregunta es sí; al igual que los jugadores en el campo, las partículas de un sistema se mueven. Las partículas dentro de este sistema tienen cierta energía cinética, debido a la temperatura del sistema: las partículas se mueven, generalmente, más rápido cuando la temperatura del sistema es más alta. Además, las partículas también pueden tener energía potencial, debido a la atracción mutua entre partículas (por ejemplo, si son dipolos eléctricos).
La energía interna de un sistema es la energía que se encuentra en su interior. Es la suma de todas las energías cinéticas y potenciales microscópicas de las partículas del sistema, si este estuviera en reposo y no en un potencial energético macroscópico.
Es importante entender que esta energía interna no tiene una relación directa con la energía externa del sistema. Esto significa que:
Asimismo:
Veamos un ejemplo:
Si calentamos agua, la energía macroscópica del sistema no parece aumentar, ya que el agua no se mueve. Sin embargo, sabemos que algo está ocurriendo, porque la temperatura del agua aumenta.
En general, un cambio en la energía interna de un sistema provoca un cambio de temperatura o un cambio de estado.
La energía interna es una propiedad extensiva: una propiedad de un sistema que depende de cómo sea este con respecto a su tamaño o masa. Su valor puede describirse como la suma de los valores de subdivisiones más pequeñas del sistema.
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.
La energía interna de un sistema puede variar por varias razones, entre ellas, las siguientes:
En algunos casos, la energía interna de un sistema puede ser igual a cero.
Un ejemplo bastante común es cuando el sistema alcanza un estado de equilibrio termodinámico, que ocurre cuando todas las partículas que lo componen se encuentran en reposo y no se producen cambios en la temperatura, ni en la presión.
Esto también puede ocurrir en los sistemas ideales.
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.
La Energía térmica de un sistema es la suma de todas las energías cinéticas microscópicas de las partículas del sistema, si este estuviera en reposo.
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:
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.
Dado un determinado aporte de energía, el cambio de temperatura depende de la masa del sistema y de la capacidad calorífica específica del material del que está hecho el sistema.
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.
La energía interna de un sistema también puede modificarse mediante trabajo. En Termodinámica, normalmente hablamos de expansión y compresión. Cuando el volumen de un sistema aumenta, hablamos de expansión; y cuando disminuye, hablamos de compresión.
Si se aplica trabajo a un sistema, este se comprime. La cantidad de trabajo necesaria para comprimir un sistema en un determinado volumen viene dictada por la presión del sistema, según la siguiente fórmula:
$$W=-p\Delta V$$
Donde:
Si realizamos un trabajo sobre el sistema, vemos (por la fórmula) que la diferencia de volumen es negativa, por lo que efectivamente tenemos una compresión. Del mismo modo, si el sistema realiza un trabajo sobre su entorno, el sistema se expandirá.
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.
Imagina que tienes una masa de m=2 kg de agua. Si se aumenta la temperatura de esta masa de agua de 20 °C a 60 °C, ¿cuánta energía térmica se ha añadido al agua? Ten en cuenta que la capacidad calorífica específica del agua es de 4182J/(kg·K)
Para resolver este problema, solamente tenemos que aplicar la ecuación de la variación de la energía térmica:
$$\Delta E=mc\Delta \theta $$
Observa que la diferencia de temperatura es de 40K (la diferencia en °C sería de 40 °C; pero, generalmente, se representa en las medidas del Sistema Internacional de Unidades. Por eso utilizaremos los kelvins).
Si sustituimos los valores dados en la ecuación, obtenemos el siguiente resultado:
$$\Delta E=2kg\cdot 4182\frac{J}{kg\cdot K}\therefore 40K=3.3\cdot 10^{5}J$$
Por lo tanto, hemos llegado a la conclusión de que se tuvieron que añadir 3,3·105 J de energía térmica para que su temperatura aumentara, como se indica en la pregunta. No sabemos cómo se añadió esta energía, pero podemos deducir que podría haber sido por transferencia de calor, o por trabajo.
Hagamos otro ejemplo:
Imaginemos que tenemos 0.5 kg de una sustancia y queremos averiguar de qué material se trata. Decidimos que podemos medir su capacidad calorífica específica y, luego, buscar qué material tiene esa capacidad calorífica específica. Calentamos el material, aumentando la energía interna en 2500J. Del mismo modo, no vemos que se produzca ningún cambio de estado y medimos un cambio de temperatura de 10 °C. ¿Cuál es la capacidad calorífica específica de este material? ¿Qué material tenemos?
Sabemos que no hubo cambio de estado, por lo que el cambio en la energía interna es el cambio en la energía térmica. Una vez más, tenemos que utilizar la ecuación del cambio en la energía térmica, pero esta vez tenemos que aislar la capacidad calorífica específica, de la siguiente manera:
$$\Delta E=mc\Delta \theta \rightarrow c=\frac{\Delta E}{m\Delta \theta}$$
Ahora, podemos sustituir los valores en la ecuación:
$$c=\frac{2250J}{0.5kg\cdot 10K}=450\frac{J}{kg\cdot K}$$
La capacidad calorífica específica es 450J/(kg·K). Si miramos una tabla de capacidad calorífica específica, encontraremos que el hierro tiene esta capacidad calorífica específica, por lo que lo más probable es que tengamos hierro.
En física, la energía se transfiere por cambios de temperatura, aplicación de fuerzas, etc. La rama que estudia esto es la Termodinámica.
La termodinámica es la rama de la física y de la química que estudia la relación entre el calor, el trabajo y otras transferencias de energía.
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.
El calor es la energía transferida hacia o desde un sistema a través de una diferencia de temperatura con el entorno.
El calor añadido o sustraído a un sistema no debe confundirse con la temperatura de un 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:
La temperatura de un sistema es una medida de la energía cinética total del sistema. Cuando entra calor en un sistema y no se produce ningún cambio de estado, la energía interna aumenta y, por tanto, también aumenta la energía cinética total. Esto significa que la temperatura aumenta.
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:
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:
Fig. 3: Aumentando y disminuyendo la temperatura, podemos cambiar el estado de la materia.
El calor y la energía son dos conceptos que están muy relacionados, pero no son lo mismo. Ya hemos visto la definición de calor:
El calor es la energía transferida hacia o desde un sistema, a través de una diferencia de temperatura con el entorno.
Veamos ahora la definición de energía:
La energía es una característica propia de los objetos que les permite realizar un trabajo. La energía puede ser de varios tipos: térmica, cinética, eléctrica…
Si has llegado hasta aquí, suponemos que ya tendrás claro todo lo relacionado con la energía interna. ¡Enhorabuena!
La energía interna de un sistema es la energía que se encuentra en su interior. Es la suma de todas las energías cinéticas y potenciales microscópicas de las partículas del sistema, si este estuviera en reposo y no en un potencial energético macroscópico.
La energía interna es importante, ya que nos permite conocer información sobre el estado termodinámico de un sistema.
La energía interna se transforma por un cambio en el volumen, la temperatura o la presión. Además, puede variar por las transferencias de calor, cambios en la composición del sistema, realización de trabajo o cambios en el sistema de agregación.
En algunos casos, la energía interna de un sistema puede ser igual a cero. Esto ocurre cuando el sistema se encuentra en equilibrio termodinámico, o cuando tenemos un sistema ideal.
La fórmula de la energía interna es:
Cambio en la energía térmica = masa · capacidad calorífica específica · temperatura
Con símbolos, tiene la siguiente fórmula: ΔE=mcΔθ
Tarjetas en Energía interna15
Empieza a aprender¿Qué es la energía interna de un sistema?
Es la energía que se encuentra en su interior.
¿Cuál es la definición matemática de la energía interna?
Es la suma de todas las energías cinéticas y potenciales microscópicas de las partículas del sistema si éste estuviera en reposo y no en un potencial energético macroscópico.
¿Verdadero o falso?: La energía térmica de un sistema es la suma de todas las energías cinéticas microscópicas de las partículas del sistema si éste estuviera en movimiento.
Falso.
¿Cuál es la fórmula de la energía interna?
$$\Delta E=mc\Delta \theta $$
¿Verdadero o falso?: La energía interna está directamente relacionada con la energía externa del sistema.
Falso.
¿Cuáles de las siguientes causas pueden provocar un cambio en la energía interna de un sistema?
Un cambio en su estado de agregación.
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