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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).
- Este artículo trata sobre la energía interna.
- En primer lugar, aprenderemos qué es la energía interna.
- A continuación, veremos cuál es la fórmula de la energía interna.
- Después, resolveremos algunos ejemplos de ejercicios de energía interna.
- Continuaremos el aprendizaje analizando la relación de la energía interna con el color y la temperatura.
- Posteriormente, estudiaremos qué es el cambio en la energía interna.
- Para terminar, veremos cuál es la diferencia entre calor y energía.
¿Qué es la energía interna?
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:
- Si el sistema está en movimiento y tiene energía cinética, la energía interna del sistema no incluye esta energía que resulta del movimiento global del sistema.
- Si colocamos todo el sistema a una altura superior al suelo, esta energía potencial macroscópica no afecta a la energía interna del sistema.
Asimismo:
- Un sistema puede estar completamente quieto y no tener energía aparente, mientras su energía interna está cambiando.
- Por otro lado, un sistema puede estar en movimiento mientras su energía interna es constante.
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.
- A medida que aumenta la temperatura del agua, las partículas de agua empiezan a moverse cada vez más deprisa, lo que hace que aumente su energía cinética total. Así, la energía interna del agua aumenta a medida que el agua se calienta.
- Mientras tanto, la energía cinética externa sigue siendo cero.
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.
Variaciones en la energía interna
La energía interna de un sistema puede variar por varias razones, entre ellas, las siguientes:
- La transferencia de calor: cuando se transfiere cierta cantidad de calor, desde o hacia el sistema que estamos observando, se produce un cambio en su energía interna.
- Cambios en la composición del sistema: si añadimos o eliminamos uno o varios componentes del sistema, se produce un cambio en su energía interna.
- Realización de trabajo: si un sistema realiza un trabajo, su energía interna es modificada.
- Cambios de estado de agregación: si cambiamos de estado una sustancia —por ejemplo, hacemos que pase de un estado sólido a un estado gaseoso—, se produce un cambio en su energía interna. Esto se debe a que, para pasar de un estado a otro, necesitamos cambiar la temperatura del sistema.
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.
Fórmula de la energía interna: cálculo de energía
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:
- ΔE: es el cambio de energía térmica de un sistema.
- La unidad estándar es el julio (J).
- m: es la masa del sistema.
- La unidad estándar es el kilogramo (kg).
- c: es el símbolo de la capacidad calorífica específica. Se define como la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperaturade una unidad de masa de una determinada sustancia en una unidad de temperatura.
- Cada sustancia tiene su capacidad calorífica específica constante: es una característica, como la densidad y el color.
- La unidad estándar es el julio/(kilogramo · kelvin), (J/(kg·K). Siempre es positiva.
- Δθ: es el cambio de temperatura del sistema. Si la temperatura final es menor que la inicial, el valor será negativo.
- La unidad estándar es el kelvin, (K).
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:
- W: es el trabajo realizado en el sistema.
- p: es la presión del sistema.
- La unidad estándar de presión es el pascal (Pa).
- ΔV: es la diferencia de volumen del sistema causada por el trabajo realizado. Esta diferencia es negativa, si el sistema está comprimido.
- La unidad estándar es el metro cúbico (m3).
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.
Ejemplos de energía interna
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.
Energía interna: calor y temperatura
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:
- Si cambia la energía potencial, se habla de cambio de estado.
- Si cambia la energía cinética, se habla de cambio de temperatura.
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.
Cambio en la energía interna
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:
- Un sólido se fundirá, y se obtendrá un líquido.
- Un líquido se evaporará, y se transformará en gas.
- Si tenemos un sólido y se transforma directamente en gas al aumentar la energía interna, hablamos de sublimación.
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:
- Un gas se condensará, y se obtendrá un líquido.
- Un líquido se congelará, y se transformará en sólido.
- Si la sustancia pasa de gas a sólido, sin pasar por su estado líquido, hablamos de sublimación inversa.
Fig. 3: Aumentando y disminuyendo la temperatura, podemos cambiar el estado de la materia.
¿Cuál es la diferencia entre calor y energía?
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!
Energía interna - Puntos clave
- 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 puede variar por varias causas. Por ejemplo, la transferencia de calor, los cambios en la composición del sistema, la realización de trabajo o cambios en el estado de agregación.
- Una fórmula importante es la siguiente: Cambio en la energía térmica = masa · capacidad calorífica específica · temperatura.
- 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.
- 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.
- El calor es la energía transferida hacia o desde un sistema, a través de una diferencia de temperatura con el entorno.
- 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…
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Preguntas frecuentes sobre Energía interna
¿Qué se entiende por energía interna?
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.
¿Cuál es la importancia de la energía interna?
La energía interna es importante, ya que nos permite conocer información sobre el estado termodinámico de un sistema.
¿Cómo se transforma la energía interna?
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.
¿Cuándo la energía interna es cero?
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.
¿Cuál es la fórmula de la energía interna?
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
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