¿Cuál es la diferencia entre energía interna y entalpía?

Diferencias entre energía interna y entalpía

En la termodinámica, dos conceptos fundamentales son energía interna y entalpía, los cuales están estrechamente relacionados pero tienen aplicaciones y significados distintos. Ambos se utilizan para describir la energía contenida en un sistema, pero se aplican en diferentes contextos y situaciones.

A continuación, exploraremos en detalle qué son estos dos conceptos, cómo se definen y cuál es la diferencia entre ellos.

¿Qué es la Energía Interna?

La energía interna (denotada como {eq}U{/eq}) es la cantidad total de energía contenida dentro de un sistema termodinámico. Esta energía está asociada a las partículas dentro del sistema (moléculas, átomos, etc.) y proviene de diversas fuentes, como:

• Energía cinética de las partículas (debido al movimiento de las moléculas, átomos y electrones).
• Energía potencial derivada de las interacciones entre las partículas (como los enlaces químicos y las fuerzas intermoleculares).
• Energía interna en forma de calor almacenado en el sistema debido a las vibraciones, rotaciones y traslaciones de las moléculas.

En términos simples, la energía interna es toda la energía que un sistema tiene a nivel microscópico, incluyendo la energía relacionada con su temperatura y la energía almacenada en las interacciones entre las partículas.

¿Qué es la Entalpía?

La entalpía (denotada como {eq}H{/eq}) es otra forma de energía de un sistema termodinámico que se utiliza con mayor frecuencia cuando se estudian procesos a presión constante. Se define matemáticamente como la suma de la energía interna {eq}U{/eq} y el producto de la presión {eq}P{/eq} por el volumen {eq}H = U + PV{/eq}

En otras palabras, la entalpía representa la cantidad total de energía contenida en un sistema termodinámico que puede realizar trabajo, pero teniendo en cuenta no solo la energía interna del sistema, sino también el trabajo realizado por el sistema debido a su volumen y presión.

Diferencias Clave entre Energía Interna y Entalpía

Aunque tanto la energía interna como la entalpía son funciones de estado utilizadas para describir la energía en un sistema, tienen diferencias fundamentales en su significado y aplicación:

1. Definición:
   • Energía interna es la energía total de un sistema relacionada con las interacciones microscópicas de las partículas dentro del sistema, incluyendo tanto la energía cinética como la potencial.
   • Entalpía, por otro lado, es la energía interna del sistema más el trabajo realizado por el sistema debido a su volumen y presión.
2. Aplicación:
   • La energía interna se utiliza principalmente para describir sistemas aislados o cerrados, donde no hay intercambio de trabajo o energía con el entorno.
   • La entalpía es más útil cuando se analizan procesos en los que se realiza trabajo debido a un cambio en el volumen del sistema, como en reacciones químicas a presión constante o procesos de expansión y compresión de gases.
3. Relación con el trabajo realizado:
   • La energía interna no tiene en cuenta el trabajo realizado por el sistema al cambiar su volumen. Es simplemente la energía interna del sistema.
   • La entalpía, sin embargo, incluye el trabajo realizado debido a los cambios en volumen (a presión constante). Esto la hace útil para describir procesos como la compresión o expansión de gases.
4. Condiciones de uso:
   • Energía interna se emplea para describir sistemas que están en condiciones de temperatura constante o en sistemas en los que no hay trabajo realizado debido al volumen, como en calorímetros.
   • Entalpía se utiliza principalmente en procesos a presión constante. Un ejemplo típico es el análisis de las reacciones químicas en soluciones líquidas, donde la presión se mantiene constante.
5. Significado físico:
   • La energía interna está relacionada con la cantidad total de energía contenida en el sistema debido a la agitación molecular y las interacciones entre las partículas.
   • La entalpía no solo describe la energía interna del sistema, sino que también tiene en cuenta la capacidad del sistema para realizar trabajo de expansión o compresión a presión constante.

Ejemplos Prácticos

• Energía Interna: Imagina una olla de agua que se calienta en una estufa. La energía interna de la olla aumenta a medida que las moléculas de agua ganan más energía cinética, lo que eleva su temperatura. La energía interna de este sistema se refiere a esa energía almacenada en las moléculas de agua y la olla.
• Entalpía: Ahora, imagina que la misma olla de agua está a presión constante y se está produciendo un cambio de fase, como la evaporación del agua. En este caso, la entalpía es más relevante porque incluye tanto la energía interna de las moléculas de agua como la energía asociada al trabajo realizado por el vapor de agua al expandirse contra la presión externa.

Relación entre Energía Interna y Entalpía

Aunque la energía interna y la entalpía son conceptos diferentes, están estrechamente relacionadas. La diferencia principal es que la entalpía tiene en cuenta el trabajo realizado por el sistema debido a los cambios en el volumen. La relación matemática {eq}H = U + PV{/eq} muestra cómo la entalpía incorpora tanto la energía interna como la energía asociada con el volumen del sistema.

Resumen

En resumen, la energía interna y la entalpía son dos conceptos fundamentales en la termodinámica, pero se utilizan en diferentes contextos. La energía interna describe la energía almacenada dentro de un sistema debido a las interacciones moleculares, mientras que la entalpía incluye, además, el trabajo realizado por el sistema cuando cambia su volumen a presión constante. La entalpía es particularmente útil en procesos donde el volumen cambia y es importante cuando se analiza el calor absorbido o liberado en procesos a presión constante.