Energía interna en termodinámica

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Autor: Redacción Ejemplode.com, año 2018

La Energía interna es la magnitud termodinámica que equivale a la suma de todas las energías de un sistema, como la cinética y la potencial. Se ha representado como E, y en ocasiones como U.

E = Ec + Ep + …

Es la que define la Primera Ley de la Termodinámica. Esta ley establece la conservación de la Energía, es decir, ésta no se crea ni se destruye. En otras palabras, esta ley se formula diciendo que para una cantidad dada de una forma de energía que desaparece, otra forma de la misma aparecerá en una cantidad igual a la cantidad desaparecida.

Al ser una unidad de Energía, se mide en unidades Joule (J), según el Sistema internacional de unidades.

La Primera Ley de Termodinámica se explica con cierta cantidad de calor “q” añadida al sistema. Esta cantidad dará origen a un incremento de la Energía interna del sistema, y también efectuará cierto trabajo externo “w” como consecuencia de dicha absorción calorífica.

ΔE + w = q

ΔE = q - w

Si declaramos como ΔE al incremento de Energía interna del sistema y “w” al trabajo hecho por el sistema sobre el contorno, entonces se tendrá la fórmula anterior.

La ecuación constituye el establecimiento matemático de la Primera Ley de Termodinámica. Como la Energía interna depende únicamente del estado de un sistema, entonces el cambio de la misma ΔE, involucrado en el paso de un estado donde la Energía interna es E1 a otro donde es E2 debe estar dada por:

ΔE = E2 – E1

ΔE depende así únicamente de los estados inicial y final del sistema y de ninguna manera de la forma en que se ha realizado tal cambio.

Estas consideraciones no se aplican a “w” y “q”, porque la magnitud de éstas depende de la manera en que se efectúa el trabajo en el paso del estado inicial al final.

El símbolo “w” representa el trabajo total hecho por un sistema. En una celda galvánica, por ejemplo, w puede incluir la Energía eléctrica proporcionada, más, si hay cambio de volumen, cualquier energía utilizada para efectuar la expansión o contracción contra una presión oponente “p”.

El cambio de volumen se aprecia mejor en el pistón de un motor de combustión interna, por ejemplo. El trabajo efectuado por el sistema contra una presión oponente “p”, que es la exterior, y con un cambio de Volumen desde V1 hasta V2, se describe con la fórmula:

w = pΔV

Trabajo Presión-Volumen en Pistón automotriz

Si el único trabajo hecho por el sistema es de esta naturaleza, entonces la sustitución de esta ecuación en la Primera Ley de Termodinámica queda:

ΔE = q – w  -->  ΔE = q - pΔV

Las ecuaciones de la Primera Ley de Termodinámica son perfectamente generales y se aplican al cálculo del Cambio de la Energía interna ΔE, Trabajo w, Calor q. Sin embargo, bajo condiciones especiales estas ecuaciones pueden tomar formas particulares.

1.- Cuando el Volumen es Constante: si el volumen no varía, entonces ΔV = 0, y el trabajo w será 0. Por tanto, sólo se considera:

ΔE = q

2.- Cuando la presión de oposición p es cero: Un proceso de este tipo se denomina Expansión Libre. Por tanto, si p = 0, entonces w se calculará w = 0. Nuevamente:

ΔE = q

Las cantidades q, w y ΔE son experimentalmente medibles, pero las magnitudes de E tal cual no lo son; este último hecho no es un obstáculo en Termodinámica, ya que estamos interesados principalmente en los cambios de E (ΔE), y no en los valores absolutos.

Ejemplos de Energía interna

1.- Utilizando la Primera Ley de Termodinámica, calcular el cambio de Energía interna de un sistema al que se ha añadido un calor de 1500 Joules, y ha logrado realizar un trabajo de 400 Joules.

ΔE = q – w

ΔE = 1500 J – 400 J

ΔE = 1100 J   

Hubo un aumento de Energía interna

2.- Utilizando la Primera Ley de Termodinámica, calcular el cambio de Energía interna de un sistema al que se ha añadido un calor de 2300 Joules, y ha logrado realizar un trabajo de 1350 Joules.

ΔE = q – w

ΔE = 2300 J – 1350 J

ΔE = 950 J   

Hubo un aumento de Energía interna

3.- Utilizando la Primera Ley de Termodinámica, calcular el cambio de Energía interna de un sistema al que se ha añadido un calor de 6100 Joules, y ha logrado realizar un trabajo de 940 Joules.

ΔE = q – w

ΔE = 6100 J – 940 J

ΔE = 5160 J   

Hubo un aumento de Energía interna

4.- Utilizando la Primera Ley de Termodinámica, calcular el cambio de Energía interna de un sistema al que se ha añadido un calor de 150 Joules, y ha logrado realizar un trabajo de 30 Joules.

ΔE = q – w

ΔE = 150 J – 30 J

ΔE = 120 J   

Hubo un aumento de Energía interna

5.- Utilizando la Primera Ley de Termodinámica, calcular el cambio de Energía interna de un sistema al que se ha añadido un calor de 3400 Joules, y ha logrado realizar un trabajo de 1960 Joules.

ΔE = q – w

ΔE = 3400 J – 1960 J

ΔE = 1440 J   

Hubo un aumento de Energía interna

6.- Utilizando la Primera Ley de Termodinámica, calcular el cambio de Energía interna de un sistema al que se ha añadido un calor de 1500 Joules, y ha logrado realizar un trabajo de 2400 Joules.

ΔE = q – w

ΔE = 1500 J – 2400 J

ΔE = -900 J   

Hubo una disminución de Energía interna

7.- Utilizando la Primera Ley de Termodinámica, calcular el cambio de Energía interna de un sistema al que se ha añadido un calor de 9600 Joules, y ha logrado realizar un trabajo de 14000 Joules.

ΔE = q – w

ΔE = 9600 J – 14000 J

ΔE = -4400 J   

Hubo una disminución de Energía interna

8.- Utilizando la Primera Ley de Termodinámica, calcular el cambio de Energía interna de un sistema al que se ha añadido un calor de 2800 Joules, y ha logrado realizar un trabajo de 3600 Joules.

ΔE = q – w

ΔE = 2800 J – 3600 J

ΔE = -800 J   

Hubo una disminución de Energía interna

9.- Utilizando la Primera Ley de Termodinámica, calcular el cambio de Energía interna de un sistema al que se ha añadido un calor de 1900 Joules, y ha logrado realizar un trabajo de 2100 Joules.

ΔE = q – w

ΔE = 1900 J – 2100 J

ΔE = -200 J   

Hubo una disminución de Energía interna

10.- Utilizando la Primera Ley de Termodinámica, calcular el cambio de Energía interna de un sistema al que se ha añadido un calor de 200 Joules, y ha logrado realizar un trabajo de 400 Joules.

ΔE = q – w

ΔE = 200 J – 400 J

ΔE = -200 J   

Hubo una disminución de Energía interna

Citado APA: (A. 2018,03. Energía interna en termodinámica. Revista Ejemplode.com. Obtenido 03, 2018, de http://www.ejemplode.com/37-fisica/4941-energia_interna_en_termodinamica.html)

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