Energía Interna

Como lo indica su nombre, la energía interna es la energía que posee un cuerpo a escala microscópica, cuya manifestación se hace notar en la agitación de las partículas que lo componen. Así, la energía interna no toma en cuenta la energía cinética ni potencial de un objeto a nivel macroscópico, sino exclusivamente aquella energía vinculada con el movimiento de los átomos y moléculas que lo componen.

En la termodinámica, la energía interna es conocida como la suma de la energía cinética y potencial que opera a nivel atómico en la composición propia de la materia. Es decir, toma la agitación de sus partículas, la aleatoriedad de su movimiento y el calor que se desprende de las mismas como resultado de su propio movimiento.

Una característica interesante de la energía interna, es que a simple vista (escala macroscópica), esta no se aprecia. Esto se debe a que el sistema termodinámico asociado a un objeto en condiciones aparentemente normales, puede estar en un alto estado de agitación a nivel molecular imperceptible para el ojo humano.

De la misma manera, la energía interna es una magnitud extensiva, esto significa que su valor real depende de materia que compone un sistema de partículas. Esto significa, que la energía interna toma en cuenta la cantidad de otros tipos de energía que componen el sistema (energía eléctrica, química, potencial, cinética, etc.)

Ejemplos de energía interna

A continuación explicamos algunos ejemplos de energía interna manifestándose en situaciones de la vida cotidiana:

Los gases al comprimirse


Recordando que la energía interna guarda relación con el estado de agitación de las partículas de la materia, los gases son el ejemplo más sencillo para explicar cómo funciona este tipo de energía. En este sentido, los gases tienen la propiedad de ocupar todo el volumen del recipiente en el cual este se almacene. Mientras mayor sea el volumen del recipiente, el volumen del gas será mayor, lo que significa que su densidad disminuirá y con ello, sus partículas estarán más dispersas unas de otras, lo que implica que su energía interna ha disminuido. En caso contrario, mientras más comprimido esté un gas, mayor será la agitación de sus partículas y su interacción mutua, lo que significa que en este caso su energía interna es mayor.

Los cambios de temperatura en la materia


Al aumentar o disminuir la temperatura de la materia se altera la energía interna de la misma. Al igual que lo ocurrido con los gases, este tipo de cambios internos genera una variación en el estado de agitación de sus partículas, lo que se traduce en un cambio de su energía interna. En este sentido, si se aumenta la temperatura de un objeto, sus partículas se expandirán y tendrán mayor interacción con otras partículas, lo que aumentará la energía interna de todo el sistema. Como es de esperarse, los cambios de energía interna en el estado de distintos tipos de materia variarán según la composición propia del elemento (calor específico, densidad, etc.).

Las baterías eléctricas


Las baterías eléctricas proporcionan energía por medio de la reacción química entre los metales y ácidos de su interior. Dicha reacción hace posible consumir la energía aprovechable de su sistema. En otras palabras, la energía interna de una batería resulta del sistema generado por la interacción de sus componentes, por lo que la energía interna de la batería será menor a medida que se consuma la electricidad que genera esta reacción. En el caso de las baterías recargables, puede volver a suministrarse energía interna al sistema por medio de la energía eléctrica.

Agitar un líquido


Cuando se agita de manera constante un líquido, se está aplicando trabajo al sistema termodinámico de la materia en forma de energía cinética. Esto da como resultado que sus partículas sean dotadas de energía cinética y tengan mayor reactividad unas con otras, lo que puede ser visto como un incremento de su energía interna. Además, este tipo de reacciones facilita la disolución de sustancias en el líquido, algo que podemos observar cuando mezclamos agua con cualquier otro tipo de sustancia y la agitamos para obtener homogeneidad.

Hervir agua


Una manifestación común de como la energía interna se hace presente, es lo ocurrido cuando se hierve agua y ésta se transforma en vapor. A pesar de que el agua en estado líquido y el vapor de agua se componen de las mismas moléculas, la inducción de energía térmica al sistema le suministra mayor energía interna a la sustancia. Esto da como resultado que la agitación de sus partículas aumente según sea mayor su energía interna hasta un punto tal, que el estado líquido del agua pase a estado gaseoso.

Energía interna en la termodinámica

La energía interna en la termodinámica se estudia ampliamente, de hecho, son dos cuestiones ampliamente vinculadas bajo el primer principio de la termodinámica. Según esta ley, todo sistema termodinámico conserva energía interna en forma de calor, no obstante, si este recibe energía térmica de su entorno y realiza trabajo, la variación entre el calor del sistema y el entorno causaría una variación en ambos elementos.

Dicho de manera sencilla, la primera ley de la termodinámica expone que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma y manifiesta en distintos tipos de energía. Esta ley, también conocida como principio de la conservación de la energía se puede calcular mediante la siguiente fórmula matemática.

\[ \Delta E = Ee – Es \]

Donde:

  • ΔE = Variación de la energía en el sistema.
  • Ee = Energía que entra al sistema.
  • Es = Energía que sale del sistema.

Cómo funciona la energía interna

La termodinámica ha hecho posible entender cómo funciona la energía interna a través de sus cambios. En este sentido, la energía interna propiamente dicha no se puede medir, sin embargo se pueden medir los cambios de la energía interna de un sistema. Estos cambios se pueden cuantificar por medio de la variación de la energía interna, energía lumínica o cualquier tipo de energía que sale del sistema que se desea medir. Así, existen dos premisas fundamentales que nos ayudan a entender cómo funcionan los cambios de energía interna en la materia.

  1. Cuando un sistema hace trabajo o emite energía hacia su exterior en forma de cualquier tipo de energía, su energía interna disminuye.
  2. Cuando se produce trabajo en el entorno inmediato a un sistema, se libera energía que puede absorber el sistema. En estos casos, su energía interna se incrementa.

Según estos principios, podemos saber cuáles son los tipos de sistemas termodinámicos la manera en la que intercambian energía interna con el entorno.

  • Sistemas abiertos: Son aquellos que pueden intercambiar materia y energía con el exterior.
  • Sistemas cerrados: Aquellos incapaces de intercambiar materia con el ambiente, pero sí energía.
  • Sistemas aislados: Son sistemas incapaces de intercambiar energía y materia con su entorno. En este tipo de sistemas no produce cambios observables en su entorno inmediato.

Unidad de medida

Cuando se calcula la energía interna en el campo de la termodinámica, se utiliza la unidad Jule (J) según el Sistema Internacional. De igual manera, en el caso de la energía interna específica se utilizan las unidades de la energía interna por unidad de masa, es decir J/Kg.