Energía Interna y la Conservación de la Energía

Termodinámica.- Es el estudio de las interacciones entre el sistema y el ambiente a través de un análisis energético donde aparecen transferencias de energía en forma de trabajo y CALOR. Este análisis prioriza lo macroscópico frente a lo microscópico, en particular a través de magnitudes de estado como la Temperatura. La termodinámica es fundamental para entender cómo los sistemas intercambian energía y cómo esto afecta a sus propiedades físicas.

Aplicaciones termodinámicas.- La termodinámica se aplica en procesos como la calefacción, la temperatura de animales y el ambiente, la capa de ozono, la construcción de las casas, la elaboración de vestimenta, la alimentación, los motores, las heladeras, la importancia de vivir del mar, etc. Además, la termodinámica tiene aplicaciones en una amplia variedad de campos, desde la ingeniería y la física hasta la biología y la geología.

Dos caminos, una meta.- Para llegar a las diferentes magnitudes que intervienen en este tema se puede tomar dos caminos, complementarios pero diferentes:

El primero por la ampliación del Principio de la Conservación de la Energía introduciendo una nueva forma de energía. El segundo relacionando esta nueva forma de energía con el Trabajo y el Calor. Ambos caminos son fundamentales para entender cómo se conserva la energía en un sistema y cómo se transforma de una forma a otra.

Comenzaremos con el primero, dejando el otro para la segunda parte.

Principio de  Conservación de la Energía:

Aquí solo hablaremos de las diferentes energías que están interviniendo y las transformaciones que se producen de una forma a otra para que la energía total se conserve. Para esto imprescindible tener siempre presente de que forma se identifica cada energía. Es importante recordar que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra.

De la Energía Mecánica a la Energía Interna.- A partir de los tres ejemplos anteriores podemos realizar varias deducciones:

• La energía mecánica no se conserva.
• Hay varias transformaciones de energía.
• La energía mecánica disminuye por lo tanto…
• Otra energía debe aumentar…
• Para que se conserve la energía total del sistema.

Esta nueva energía la llamaremos “Energía Interna”.

Energía Interna y Temperatura.- En los tres casos anteriores ¿qué le sucede a la temperatura (T) del dedo, la llanta y el serrucho?

En todos los experimentos la temperatura se modificó aumentando al igual que la nueva energía por lo tanto: La temperatura es el “indicador” macroscópico de una nueva energía llamada ENERGIA INTERNA (U).

Definición/es de Energía Interna.-

• Llamaremos “Energía Interna” a aquella energia que depende a nivel macroscópica de la Temperatura del cuerpo (o Sistema). A nivel microscópico la Energía Interna de un sistema está constituida por la energía del movimiento de todas las partículas microscópicas (moléculas, átomos, iones, etc.), por las interacciones entre estas partícula, por las capas eléctronicas de los átomos y iones, por la energía intranuclear.
• La Energía Interna es una magnitud escalar que se mide en Joules (u otras unidades energéticas).
• Es una función de estado del sistema, depende del estado inicial y final pero no depende de la forma en que se paso de un estado a otro.
• Por lo precedente, para establecer la Energía Interna en un determinado momento es necesario establecer una energía interna de referencia (lo cual es muy complejo).
• Lo anterior no es importante ya que nos manejamos con los procesos, o sea, nos interesa más la variación de Energía Interna.

La importancia de la Energía Interna en los procesos termodinámicos.- La Energía Interna juega un papel crucial en los procesos termodinámicos. Por ejemplo, en un motor de combustión interna, la energía interna del combustible se convierte en trabajo mecánico y calor. En un refrigerador, el trabajo mecánico se utiliza para disminuir la energía interna de los alimentos, manteniéndolos frescos. En ambos casos, el principio de conservación de la energía se mantiene, ya que la energía total del sistema (la suma de la energía interna y la energía mecánica) se conserva.

Energía Interna y los cambios de fase.- La Energía Interna también es fundamental para entender los cambios de fase de la materia. Por ejemplo, cuando el hielo se derrite, absorbe calor del ambiente, lo que aumenta su energía interna y provoca el cambio de fase de sólido a líquido. De manera similar, cuando el agua se evapora, absorbe calor y aumenta su energía interna, pasando de líquido a gas. En ambos casos, el principio de conservación de la energía se mantiene.