La energía interna es una magnitud que se refiere a la energía almacenada en un sistema de partículas. Esta energía está relacionada con el movimiento aleatorio de las moléculas o átomos que componen dicho sistema. A diferencia de la energía cinética o potencial, que se asocia con el movimiento macroscópico de los objetos, la energía interna se encuentra en una escala microscópica y molecular.
¿Qué se entiende por energía interna?
Según el Primer Principio de la Termodinámica, la energía interna se define como la energía relacionada con el movimiento aleatorio de las partículas en un sistema. Por ejemplo, las baterías, al agitar un líquido o el vapor de agua son ejemplos de sistemas que poseen energía interna. Esta energía interna se diferencia de la energía ordenada de los sistemas macroscópicos, que está asociada con los objetos en movimiento. La energía interna se refiere a la energía contenida en los objetos a una escala microscópica y molecular.
Es importante destacar que un objeto puede estar en reposo y no tener una energía aparente (ni potencial ni cinética), pero aun así tener moléculas en movimiento a altas velocidades. Estas moléculas se atraen y repelen entre sí dependiendo de sus propiedades químicas y factores microscópicos, aunque no se observe movimiento a simple vista.
La energía interna se considera una magnitud extensiva, lo que significa que está relacionada con la cantidad de materia en un sistema de partículas específico. Incluye todas las formas de energía, como la eléctrica, cinética, química y potencial contenida en los átomos de una sustancia determinada. Esta energía interna se representa comúnmente con el símbolo U.
Variación de la energía interna
La energía interna de los sistemas de partículas puede variar independientemente de su posición espacial o forma adquirida. Por ejemplo, al agregar calor a un sistema cerrado de partículas, se añade energía térmica que afecta la energía interna del sistema.
Sin embargo, la energía interna es una función de estado, lo que significa que no depende de la variación que conecta dos estados de la materia, sino del estado inicial y final del sistema. Esto implica que la variación de la energía interna en un ciclo determinado siempre será cero, ya que el estado inicial y final son iguales.
Existen diferentes formulaciones para calcular la variación de la energía interna en un sistema:
- ΔU = U B- U A, donde el sistema pasa de un estado A a un estado B.
- ΔU = -W, en los casos en que se realiza trabajo mecánico W, lo que resulta en la expansión del sistema y la disminución de su energía interna.
- ΔU = Q, en los casos en que se agrega energía térmica que aumenta la energía interna.
- ΔU = 0, en los casos de cambios cíclicos de la energía interna.
Estos casos y otros más se pueden resumir en la ecuación que describe el Principio de Conservación de la Energía en el sistema:
ΔU = Q + W
Ejemplos de energía interna
A continuación, se presentan algunos ejemplos de sistemas que poseen energía interna:
- Baterías: En el interior de las baterías cargadas se almacena energía interna aprovechable, gracias a las reacciones químicas entre los ácidos y los metales pesados presentes en su interior. La cantidad de energía interna será mayor cuando la carga eléctrica sea completa y menor cuando se haya consumido. En el caso de las pilas recargables, esta energía interna puede aumentar nuevamente al recargarlas con electricidad.
- Gases comprimidos: Los gases tienden a ocupar el volumen total del recipiente en el que se encuentran. Por lo tanto, su energía interna variará dependiendo de la cantidad de espacio disponible. Un gas disperso en una habitación tiene menos energía interna que cuando se comprime en una bombona, ya que sus partículas estarán más cerca y tendrán interacciones más intensas.
- Aumento de la temperatura de la materia: Si se aumenta la temperatura de un gramo de agua y un gramo de cobre, ambos a una temperatura inicial de 0 °C, se notará que el hielo requerirá una mayor cantidad de energía para alcanzar la temperatura deseada. Esto se debe a que el calor específico del hielo es mayor, lo que significa que sus partículas son menos receptivas a la energía introducida en comparación con las del cobre. En otras palabras, el hielo absorberá el calor más lentamente y aumentará su energía interna a un ritmo más lento que el cobre.
- Agitar un líquido: Al agitar un líquido, como disolver azúcar o sal en agua, se introduce una cantidad de trabajo (W) que incrementa la energía interna del sistema. Esto permite una mayor reactividad química entre las partículas involucradas.
- Vapor de agua: Cuando el agua hierve, el vapor resultante tiene mayor energía interna que el agua en estado líquido en el recipiente. Esto se debe a que se ha agregado una cantidad determinada de energía térmica (Q) al agua para inducir la transformación física, lo que provoca una mayor agitación de las partículas.
¿Es la energía interna renovable o no renovable?
La energía interna en sí misma no es renovable ni no renovable, ya que es una propiedad inherente a los sistemas de partículas y no se consume ni se agota. Sin embargo, la forma en que se obtiene la energía interna puede ser renovable o no renovable.
Por ejemplo, en el caso de las baterías, la energía interna almacenada se puede considerar no renovable, ya que depende de las reacciones químicas entre ácidos y metales pesados que se agotan con el tiempo. Sin embargo, en el caso de las pilas recargables, la energía interna puede volver a incrementarse al recargarlas con electricidad, lo que las convierte en una fuente de energía interna renovable.
En el caso de los gases comprimidos, la energía interna puede considerarse renovable si se utiliza un proceso que permita recomprimir el gas, como en el caso del almacenamiento de energía en forma de aire comprimido. Sin embargo, si el gas se libera sin posibilidad de recomprimirlo, la energía interna se consideraría no renovable.
La energía interna en sí misma no es renovable ni no renovable, pero su obtención y uso pueden ser clasificados de esa manera dependiendo de la fuente y del proceso utilizado.
La energía interna es una magnitud relacionada con el movimiento aleatorio de las partículas en un sistema. Es una propiedad inherente a los sistemas de partículas y no se consume ni se agota. Sin embargo, la forma en que se obtiene la energía interna puede ser renovable o no renovable. Es importante considerar fuentes de energía interna renovable para garantizar un uso sostenible y respetuoso con el medio ambiente.