Descripción general de la energía interna y unidades ¿Qué es la energía interna?

Publicado el 6 marzo, 2022

¿Qué es la energía interna de un sistema?

Cuando algo se describe como interno, significa que está dentro de otra cosa. Por ejemplo, los órganos internos son los órganos que se encuentran dentro del cuerpo; el corazón, los riñones, el estómago, etc. Por lo tanto, la energía interna es la energía dentro de algo, como un sistema. Para responder completamente a la pregunta “¿qué es la energía interna de un sistema?”, primero se debe comprender qué es un sistema. Entonces uno puede determinar qué elementos son internos al sistema y cuáles son externos o externos al sistema.

Un sistema es un conjunto de componentes o partes interrelacionados que de alguna manera están conectados o trabajan juntos para realizar una función común. Los ejemplos de sistemas incluyen sistemas vivos como el cuerpo humano y sistemas mecánicos como el motor de un automóvil. En química, cuando se combinan diferentes compuestos para experimentar una reacción, los átomos de cada uno de los compuestos forman un sistema. En la rama de la física conocida como termodinámica, que estudia los cambios de temperatura, el calor puede transferirse entre partes del sistema.

El calor es una medida de energía. La energía se presenta en varias formas, siendo las dos formas básicas la energía potencial y la energía cinética. La energía potencial es el resultado de la posición. Los objetos y las partículas en reposo aún poseen energía aunque no se muevan porque la energía potencial solo depende de su posición en relación con otros objetos o partículas. Las partículas que se encuentran a mayor distancia entre sí tienen mayor energía potencial. La energía cinética, por otro lado, depende del movimiento. Cuanto más rápido se mueve un objeto o partícula, más energía cinética tiene. Por lo tanto, la definición de energía interna es la energía cinética y potencial total de todas las partículas dentro de un sistema.

Ejemplos de energía interna

Todo sistema tiene energía interna. Por ejemplo, los componentes de una computadora forman un sistema. A medida que las señales eléctricas viajan a través de los circuitos dentro de la computadora, parte de la energía potencial eléctrica se convierte en energía cinética a medida que las partículas se mueven a través de los circuitos. Incluso algo tan simple como una olla de agua hirviendo constituye un sistema. A medida que el calor de la estufa fluye a través del metal de la olla, su energía se transfiere a las partículas de agua. Lo hace porque el calor siempre viaja de los materiales con mayor temperatura a los de menor temperatura. Esto convierte la energía potencial de las partículas de agua en energía cinética a medida que se mueven. Moviéndose en la olla, las partículas chocan entre sí y aumentan su energía cinética.

Energía interna total de un sistema

La energía interna total de un sistema es igual a la suma de la energía potencial y cinética de cada partícula dentro del sistema. La energía cinética está relacionada con la temperatura, pero esto no significa que todos los materiales a la misma temperatura tengan la misma energía interna. Por ejemplo, cantidades iguales de cobre y agua a la misma temperatura no tienen la misma energía interna porque el agua tiene una energía potencial más alta y, por lo tanto, una energía interna total mayor. Para encontrar este total, primero encuentre la energía cinética total de las partículas que están en movimiento y luego determine por separado la energía potencial combinada de todas las partículas que no se están moviendo.

Cómo calcular la energía interna de un sistema

Para encontrar la energía total uno necesita saber cómo calcular la energía interna. La energía cinética de un sistema se mide como temperatura o cambio de calor. Esto se puede obtener con un termómetro, una sonda de temperatura o un manómetro. La energía potencial resulta de las posiciones relativas de las partículas y es un poco más complicada de determinar que la energía cinética. Sin embargo, el estado de un sistema puede usarse como una medida de energía potencial. En estado sólido, las partículas están muy próximas entre sí y, por lo tanto, tienen bajos niveles de energía potencial. Los líquidos permiten que las partículas se muevan más fácilmente, lo que aumenta su energía potencial. La máxima energía potencial de las partículas se da en estado gaseoso, en el que se mueven libremente y pueden alcanzar grandes distancias unas de otras.

Primera Ley de la Termodinámica: Energía Interna

Según la Primera Ley de la Termodinámica , también conocida como Ley de Conservación de la Energía , la energía total del universo es constante. Esto significa que la energía no se crea ni se destruye, solo cambia de forma. Por lo tanto, a medida que aumenta la energía potencial del sistema, la energía cinética debe disminuir y viceversa. En forma de ecuación, la Primera Ley de la Termodinámica es:

Delta U = q+w En esta ecuación q representa calor y w es trabajo.

Unidades de energía interna

En el Sistema Internacional (SI) de Unidades, las unidades de energía interna son los kilojulios (kJ); La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. El trabajo es el producto de la fuerza y la distancia. La unidad SI de fuerza es el Newton y la unidad de distancia es el metro. Multiplicarlos da la unidad compuesta Newton-metros (Nm). Esta unidad recibió el nombre de Joule en honor al físico James Prescott Joule, cuyo trabajo sentó las bases de la Primera Ley de la Termodinámica. Una unidad de energía más familiar es la caloría. Una caloría equivale a 4,184 J. Esta es una cantidad relativamente pequeña, por lo que la unidad SI es el kilojulio (kJ), que equivale a 1000 julios.

Resumen de la lección

Un sistema es un conjunto de partes que están conectadas o trabajan juntas para realizar alguna función común. Cada sistema contiene una cierta cantidad de energía interna . De acuerdo con los principios de la termodinámica, el calor puede transferirse entre las diferentes partes de un sistema. El calor es una forma de energía. Las dos formas principales de energía son la potencial y la cinética. La energía potencial es el resultado de la posición relativa, mientras que la energía cinética es el resultado del movimiento. Cuanto más rápido se mueve una partícula u objeto, mayor es su energía cinética. Las partículas ganan energía potencial a medida que se alejan unas de otras. Esto se debe a las fuerzas de atracción entre ellos. La energía interna total de un sistema es igual al total de la energía potencial y cinética. La energía potencial está relacionada con el estado de la materia, siendo los sólidos los que tienen menos energía potencial y los gases los que tienen más debido a las grandes distancias entre las partículas.

La Primera Ley de la Termodinámica , comúnmente conocida como la Ley de Conservación de la Energía , se expresa en la ecuación \Delta U = q+w, donde q es calor y w es trabajo. El trabajo es una medida de fuerza y distancia, cuyas unidades son Newtons y metros, dando la unidad compuesta Newton-metro que se reemplaza por Joule (J). La unidad SI utilizada para la energía es el kilojulio (kJ) que equivale a 1000 julios. El calor se mide como temperatura e indica la cantidad de energía cinética de las partículas en el sistema. Debido a la Ley de Conservación de la Energía, si la energía cinética aumenta, entonces la energía potencial debe disminuir y viceversa.