{"id":41631,"date":"2019-09-27T13:57:44","date_gmt":"2019-09-27T12:57:44","guid":{"rendered":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/que-es-la-energia-interna-energia-termica-definicion\/"},"modified":"2020-01-14T17:06:37","modified_gmt":"2020-01-14T16:06:37","slug":"que-es-la-energia-interna-energia-termica-definicion","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/es\/que-es-la-energia-interna-energia-termica-definicion\/","title":{"rendered":"Qu\u00e9 es la energ\u00eda interna – Energ\u00eda t\u00e9rmica – Definici\u00f3n"},"content":{"rendered":"
\n
La energ\u00eda interna (tambi\u00e9n llamada energ\u00eda t\u00e9rmica) se define como la energ\u00eda asociada con formas microsc\u00f3picas de energ\u00eda.\u00a0Es una cantidad extensa.\u00a0Energ\u00eda interna – Energ\u00eda t\u00e9rmica<\/div>\n<\/div>\n
<\/div>\n
\n
\n
<\/div>\n

Energ\u00eda interna – Energ\u00eda t\u00e9rmica<\/h2>\n

La energ\u00eda potencial<\/strong>\u00a0<\/a>y\u00a0la energ\u00eda cin\u00e9tica<\/strong><\/a>\u00a0, que se discuti\u00f3 en cap\u00edtulos anteriores, son\u00a0formas macrosc\u00f3picas de energ\u00eda<\/strong>\u00a0.\u00a0Dependen de variables macrosc\u00f3picas como la posici\u00f3n y la velocidad de los objetos.<\/p>\n

En termodin\u00e1mica,\u00a0la energ\u00eda interna<\/strong>\u00a0(tambi\u00e9n llamada\u00a0energ\u00eda t\u00e9rmica<\/strong>\u00a0) se define como la energ\u00eda asociada con\u00a0formas microsc\u00f3picas de energ\u00eda<\/strong>\u00a0.\u00a0Es una\u00a0cantidad extensa<\/a>\u00a0, depende del tama\u00f1o del sistema o de la cantidad de sustancia que contiene.\u00a0La unidad SI de\u00a0energ\u00eda interna<\/strong>\u00a0es el\u00a0julio (J)<\/strong>\u00a0.\u00a0Es la energ\u00eda contenida dentro del sistema, excluyendo la energ\u00eda cin\u00e9tica de movimiento del sistema como un todo y la energ\u00eda potencial del sistema.\u00a0Las formas microsc\u00f3picas de energ\u00eda<\/strong>\u00a0incluyen aquellas debidas a la\u00a0rotaci\u00f3n<\/strong>\u00a0,\u00a0vibraci\u00f3n, traslaci\u00f3n<\/strong>\u00a0e\u00a0interacciones.<\/strong>entre las mol\u00e9culas de una sustancia.\u00a0Ninguna de estas formas de energ\u00eda se puede medir o evaluar directamente, pero se han desarrollado t\u00e9cnicas para evaluar el cambio en la suma total de todas estas formas microsc\u00f3picas de energ\u00eda.<\/p>\n

Adem\u00e1s, la energ\u00eda se puede almacenar en los enlaces qu\u00edmicos entre los \u00e1tomos que forman las mol\u00e9culas.\u00a0Este almacenamiento de energ\u00eda a nivel at\u00f3mico incluye energ\u00eda asociada con estados orbitales de electrones, esp\u00edn nuclear y fuerzas de uni\u00f3n en el n\u00facleo.<\/p>\n

La energ\u00eda interna<\/strong>\u00a0est\u00e1 representada por el s\u00edmbolo\u00a0U<\/strong>\u00a0, y el cambio en la energ\u00eda interna en un proceso es U\u00a02<\/sub>\u00a0– U\u00a01<\/sub>\u00a0.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

\n
\n
<\/div>\n

Energ\u00eda microsc\u00f3pica<\/h2>\n

La energ\u00eda interna<\/strong>\u00a0implica energ\u00eda a\u00a0escala microsc\u00f3pica<\/strong>\u00a0.\u00a0Se puede dividir en energ\u00eda potencial microsc\u00f3pica,\u00a0U\u00a0<\/em>pot<\/sub>\u00a0, y energ\u00eda cin\u00e9tica microsc\u00f3pica,\u00a0U\u00a0<\/em>kin<\/sub>\u00a0, componentes:<\/p>\n

U = U\u00a0pot<\/sub>\u00a0+ U\u00a0kin<\/sub><\/strong><\/p>\n

\"Energ\u00eda<\/a>donde la energ\u00eda cin\u00e9tica microsc\u00f3pica, U\u00a0kin<\/sub>\u00a0, involucra los\u00a0movimientos<\/strong>\u00a0de todas las part\u00edculas del sistema con respecto al marco del centro de masa.\u00a0Para un\u00a0gas monoat\u00f3mico<\/strong>\u00a0ideal\u00a0, esto es solo la\u00a0energ\u00eda cin\u00e9tica traslacional<\/strong>\u00a0del movimiento lineal de los \u00e1tomos.\u00a0Las part\u00edculas monoat\u00f3micas no giran ni vibran.\u00a0El comportamiento del sistema est\u00e1 bien descrito por la teor\u00eda cin\u00e9tica de los gases.\u00a0La teor\u00eda cin\u00e9tica se basa en el hecho de que durante una\u00a0colisi\u00f3n el\u00e1stica<\/a>\u00a0entre una mol\u00e9cula con alta energ\u00eda cin\u00e9tica y otra con baja energ\u00eda cin\u00e9tica, parte de la energ\u00eda se transferir\u00e1 a la mol\u00e9cula de menor energ\u00eda cin\u00e9tica.\u00a0Sin embargo, para los\u00a0gases poliat\u00f3micos<\/strong>\u00a0hay\u00a0rotaci\u00f3n<\/strong>\u00a0yenerg\u00eda cin\u00e9tica vibracional<\/strong>\u00a0tambi\u00e9n.<\/p>\n

La energ\u00eda potencial microsc\u00f3pica,\u00a0U\u00a0pot<\/sub><\/strong>\u00a0, involucra los\u00a0enlaces qu\u00edmicos<\/strong>\u00a0entre los \u00e1tomos que forman las mol\u00e9culas, las fuerzas de uni\u00f3n en el n\u00facleo y tambi\u00e9n los campos de fuerza f\u00edsica dentro del sistema (por ejemplo, campos el\u00e9ctricos o magn\u00e9ticos).<\/p>\n

\n
\n

En l\u00edquidos y s\u00f3lidos hay un componente significativo de energ\u00eda potencial asociado con\u00a0<\/span>las fuerzas de atracci\u00f3n intermoleculares<\/span><\/strong>\u00a0.<\/span><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

\n
\n
<\/div>\n

Energ\u00eda interna espec\u00edfica<\/span><\/h2>\n

La\u00a0<\/span>energ\u00eda interna espec\u00edfica (u)<\/span><\/strong>\u00a0de una sustancia es su energ\u00eda interna por unidad de masa.\u00a0Es una\u00a0<\/span>propiedad intensiva<\/span><\/strong><\/a>\u00a0.\u00a0Es igual a la energ\u00eda interna total (U) dividida por la masa total (m).<\/span><\/p>\n

u = U \/ m<\/span><\/strong><\/em><\/p>\n

d\u00f3nde:<\/span><\/p>\n

u = energ\u00eda interna espec\u00edfica (J \/ kg)<\/span><\/p>\n

U = energ\u00eda interna (J)<\/span><\/p>\n

m = masa (kg)<\/span><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

\n
\n
<\/div>\n

Energ\u00eda interna de un gas ideal<\/span><\/h2>\n<\/div>\n<\/div>\n
\n
La\u00a0<\/span>energ\u00eda interna<\/span><\/strong>\u00a0es el total de toda la energ\u00eda asociada con el movimiento de los \u00e1tomos o mol\u00e9culas en el sistema.\u00a0Las formas microsc\u00f3picas de energ\u00eda incluyen aquellas debidas a la\u00a0<\/span>rotaci\u00f3n<\/span><\/strong>\u00a0,\u00a0<\/span>vibraci\u00f3n<\/span><\/strong>\u00a0,\u00a0<\/span>traslaci\u00f3n<\/span><\/strong>\u00a0e interacciones entre las mol\u00e9culas de una sustancia.<\/span><\/div>\n<\/div>\n
\n
\n
<\/div>\n

Gas monoat\u00f3mico<\/span><\/h2>\n

Para un\u00a0<\/span>gas ideal monoat\u00f3mico<\/span><\/strong>\u00a0(como helio, ne\u00f3n o arg\u00f3n), la \u00fanica contribuci\u00f3n a la energ\u00eda proviene de\u00a0<\/span>la energ\u00eda cin\u00e9tica traslacional<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0La energ\u00eda cin\u00e9tica traslacional promedio de un solo \u00e1tomo depende solo de la temperatura del gas y est\u00e1 dada por la ecuaci\u00f3n<\/span><\/p>\n

K\u00a0<\/span>promedio<\/span><\/sub>\u00a0= 3\/2 kT.<\/span><\/strong><\/p>\n

La\u00a0<\/span>energ\u00eda interna<\/span><\/strong>\u00a0de n moles de un gas ideal monoat\u00f3mico (un \u00e1tomo por mol\u00e9cula) es igual a la energ\u00eda cin\u00e9tica promedio por mol\u00e9cula multiplicada por el n\u00famero total de mol\u00e9culas, N:<\/span><\/p>\n

E\u00a0<\/span>int<\/span><\/sub>\u00a0= 3\/2 NkT = 3\/2 nRT<\/span><\/strong><\/p>\n

donde n es el n\u00famero de moles.\u00a0Cada direcci\u00f3n (x, y y z) contribuye\u00a0<\/span>(1\/2) nRT<\/span><\/strong>\u00a0a la energ\u00eda interna.\u00a0Aqu\u00ed es donde entra en juego la idea de equipartici\u00f3n de energ\u00eda: cualquier otra contribuci\u00f3n a la energ\u00eda tambi\u00e9n debe contribuir (1\/2) nRT.\u00a0Como se puede ver, la energ\u00eda interna de un gas ideal\u00a0<\/span>depende solo de la temperatura<\/span><\/strong>\u00a0y la cantidad de moles de gas.<\/span><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

\n
\n
<\/div>\n

Mol\u00e9cula Diat\u00f3mica<\/span><\/h2>\n

Si las mol\u00e9culas de gas contienen m\u00e1s de un \u00e1tomo, hay\u00a0<\/span>tres direcciones de traslaci\u00f3n<\/span><\/strong>\u00a0, y\u00a0<\/span>la energ\u00eda cin\u00e9tica rotacional<\/span><\/strong>\u00a0tambi\u00e9n contribuye, pero solo para rotaciones alrededor de dos de los tres ejes perpendiculares.\u00a0Las cinco contribuciones a la energ\u00eda (cinco grados de libertad) dan:<\/span><\/p>\n

Gas ideal diat\u00f3mico:<\/span><\/p>\n

E\u00a0<\/span>int<\/span><\/sub>\u00a0= (5\/2) NkT = (5\/2) nRT<\/span><\/strong><\/p>\n

Esto es solo una aproximaci\u00f3n y se aplica a temperaturas intermedias.\u00a0A bajas temperaturas solo contribuye la energ\u00eda cin\u00e9tica traslacional, y a temperaturas m\u00e1s altas dos vibraciones aportan dos contribuciones adicionales (energ\u00eda cin\u00e9tica y potencial).<\/span><\/p>\n

La energ\u00eda interna ser\u00e1 mayor a una temperatura dada que para un gas monoat\u00f3mico, pero seguir\u00e1 siendo funci\u00f3n solo de la temperatura para un gas ideal.<\/span><\/p>\n

La energ\u00eda interna de los gases reales tambi\u00e9n depende principalmente de la temperatura, pero de manera similar a la\u00a0<\/span>Ley del Gas Ideal<\/span><\/strong>\u00a0, la energ\u00eda interna de los gases reales tambi\u00e9n depende en cierta medida de la presi\u00f3n y el volumen.\u00a0Todos los gases reales se aproximan al estado ideal a bajas presiones (densidades).\u00a0A bajas presiones, las mol\u00e9culas est\u00e1n lo suficientemente separadas como para que no interact\u00faen entre s\u00ed.\u00a0La energ\u00eda interna de l\u00edquidos y s\u00f3lidos es bastante complicada, ya que incluye la energ\u00eda potencial el\u00e9ctrica asociada con las fuerzas (o enlaces “qu\u00edmicos”) entre \u00e1tomos y mol\u00e9culas.<\/span><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

\n
\n
<\/div>\n

Segunda ley de Joule<\/span><\/h2>\n

Para cualquier gas cuya ecuaci\u00f3n de estado est\u00e9 dada exactamente por\u00a0<\/span>pV = nRT<\/span><\/strong>\u00a0(o pv = RT), la\u00a0<\/span>energ\u00eda interna espec\u00edfica<\/span><\/strong>\u00a0depende solo de la temperatura.\u00a0Esta regla fue encontrada originalmente en 1843 por Joule experimentalmente para gases reales y se conoce como\u00a0<\/span>la segunda ley de Joule<\/span><\/strong>\u00a0:<\/span><\/p>\n

La energ\u00eda interna de una masa fija de un gas ideal depende solo de su temperatura (no de presi\u00f3n o volumen).<\/span><\/em><\/p>\n

La entalp\u00eda espec\u00edfica de un gas descrita por pV = nRT tambi\u00e9n depende solo de la temperatura.\u00a0Tenga en cuenta que la entalp\u00eda es la cantidad termodin\u00e1mica equivalente al contenido total de calor de un sistema.\u00a0Es igual a la energ\u00eda interna del sistema m\u00e1s el producto de presi\u00f3n y volumen.\u00a0En variables intensivas, la\u00a0<\/span>segunda ley de Joule<\/span><\/strong>\u00a0est\u00e1 dada por\u00a0<\/span>h = h (T) = u (T) + pv = u (T) + RT<\/span><\/strong>\u00a0.<\/span><\/p>\n

Estas tres ecuaciones constituyen el modelo de gas ideal, resumido de la siguiente manera:<\/span><\/p>\n

pv = RT<\/span><\/strong><\/p>\n

u = u (T)<\/span><\/strong><\/p>\n

h = h (T) = u (T) + RT<\/span><\/strong><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

\n
\n
<\/div>\n

Energ\u00eda interna y la primera ley de la termodin\u00e1mica.<\/span><\/h2>\n

En termodin\u00e1mica,<\/span><\/strong>\u00a0el concepto de energ\u00eda se ampl\u00eda para tener en cuenta otros cambios observados, y el\u00a0<\/span>principio de conservaci\u00f3n de la energ\u00eda<\/span><\/strong>\u00a0se extiende para incluir una amplia variedad de formas en que los sistemas interact\u00faan con su entorno.\u00a0Las \u00fanicas formas en que se puede cambiar la energ\u00eda de un sistema cerrado son mediante la transferencia de energ\u00eda\u00a0<\/span>por trabajo<\/span><\/strong>\u00a0o\u00a0<\/span>por calor<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0Adem\u00e1s, seg\u00fan los experimentos de Joule y otros, un aspecto fundamental del concepto de energ\u00eda es que la\u00a0<\/span>energ\u00eda se conserva.\u00a0<\/span><\/strong>Este principio se conoce como\u00a0\u00a0<\/span>la primera ley de la termodin\u00e1mica<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0La primera ley de la termodin\u00e1mica se puede escribir en varias formas:<\/span><\/p>\n

En palabras:<\/span><\/strong><\/p>\n

\"primera<\/a><\/p>\n

\"conservaci\u00f3n<\/a>
Dise\u00f1o f\u00edsico de los cuatro dispositivos principales utilizados en el ciclo de Rankine y las transferencias de energ\u00eda b\u00e1sicas.<\/span><\/figcaption><\/figure>\n

Forma de ecuaci\u00f3n:<\/span><\/strong><\/p>\n

IntE\u00a0<\/span><\/strong>int<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0= Q – W<\/span><\/strong><\/p>\n

donde\u00a0<\/span>E\u00a0<\/span>int<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0representa la\u00a0<\/span>energ\u00eda interna<\/span><\/strong>\u00a0del material, que depende solo\u00a0<\/span>del estado del material<\/span><\/strong>\u00a0(temperatura, presi\u00f3n y volumen).\u00a0<\/span>Q<\/span><\/strong>\u00a0es el\u00a0<\/span>calor neto agregado<\/span><\/strong>\u00a0al sistema y\u00a0<\/span>W<\/span><\/strong>\u00a0es el\u00a0<\/span>trabajo neto realizado por<\/span><\/strong>\u00a0el sistema.\u00a0Debemos ser cuidadosos y consistentes al seguir las convenciones de signos para Q y W. Como W en la ecuaci\u00f3n es el trabajo realizado por el sistema, entonces si el trabajo se realiza en el sistema, W ser\u00e1 negativo y E\u00a0<\/span>int<\/span><\/sub>\u00a0aumentar\u00e1.<\/span><\/p>\n

Del mismo modo, Q es positivo para el calor agregado al sistema, por lo que si el calor abandona el sistema, Q es negativo.\u00a0Esto nos dice lo siguiente:\u00a0<\/span>la energ\u00eda interna<\/span><\/strong>\u00a0de un sistema tiende a aumentar si el sistema absorbe calor o si se realiza un trabajo positivo en el sistema.\u00a0Por el contrario, la energ\u00eda interna tiende a disminuir si el sistema pierde calor o si se realiza un trabajo negativo en el sistema.\u00a0Debe agregarse que Q y W dependen de la ruta, mientras que E\u00a0<\/span>int<\/span><\/sub>\u00a0es independiente de la ruta.<\/span><\/p>\n

Forma diferencial:<\/span><\/strong><\/p>\n

dE\u00a0<\/span>int<\/span><\/sub>\u00a0= dQ – dW<\/span><\/strong><\/p>\n

La energ\u00eda interna E\u00a0<\/span>int<\/span><\/sub>\u00a0de un sistema tiende a aumentar si se agrega energ\u00eda como calor Q y tiende a disminuir si se pierde energ\u00eda como trabajo W realizado por el sistema.<\/span><\/p>\n

Vea tambi\u00e9n:\u00a0<\/span>Sistema abierto – Sistema cerrado – Sistema aislado<\/span><\/a><\/strong><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

\n
\n
<\/div>\n

Distinguir temperatura, calor y energ\u00eda interna<\/span><\/h2>\n

Usando la teor\u00eda cin\u00e9tica, se puede hacer una distinci\u00f3n clara entre estas tres propiedades.<\/span><\/p>\n