Las diversas formas de energía están interconectadas y pueden convertirse de una forma a otra bajo ciertas condiciones. El campo de la ciencia conocido como termodinámica está relacionado con el estudio de varios tipos de energía y su conversión. En termodinámica, el sistema se refiere a la parte del universo que se observa, mientras que el entorno se refiere al resto del universo que no forma parte del sistema. Cada sustancia tiene una cantidad específica de energía que está determinada por el tipo de sustancia, como la temperatura y la presión. Energía interna es la terminología para esto. El cambio de energía interna como función de estado o como estado del sistema se describe más adelante.
¿Qué es el estado de un sistema?
El estado de un sistema se define como su estado de existencia cuando sus características macroscópicas tienen valores definidos. Se dice que el estado del sistema cambia si alguna de las características macroscópicas del sistema cambia. Las variables de estado son las propiedades medibles necesarias para describir el estado de un sistema. Las variables de estado son temperatura, presión, volumen, composición, etc. Considere el caso de un sistema formado por un gas ideal. Solo tres variables, como la temperatura, la presión y el volumen, pueden definir el estado de este sistema.
Una función de estado es una propiedad del sistema cuyo valor está determinado únicamente por el estado del sistema y no se ve afectado por la ruta o el método por el cual se alcanza ese estado. Los estados inicial y final del sistema, no el camino por el cual se obtienen, determinan el cambio en el valor de estas propiedades.
El estado termodinámico del sistema es un término crucial. El sistema se encuentra en algún estado particular en un momento dado, que puede describirse utilizando valores de propiedades macroscópicas que son relevantes para nuestros objetivos. El estado actual del sistema está definido por los valores de estas características en un momento dado. El estado cambia cada vez que cambia el valor de cualquiera de estas propiedades. Si luego se descubre que cada una de las propiedades importantes tiene el mismo valor que tenía en un momento anterior, se puede observar que el sistema ha vuelto a su estado anterior.
El estado del sistema no debe confundirse con el tipo de estado físico o el estado de agregación de fases. Un cambio de estado se refiere a un cambio en el estado del sistema en lugar de una transición de fase.
Energía interna
Cada sustancia tiene una cantidad específica de energía que está determinada por factores como la naturaleza química de la sustancia, la temperatura y la presión. El término “energía intrínseca” o “energía interna” se refiere a este tipo de energía. Se utiliza la letra U para significarlo (anteriormente se representaba con el símbolo E). Se compone de la energía cinética y la energía potencial de las partículas individuales.
La energía traslacional, la energía racional, la energía vibratoria y otras formas de energía cinética surgen del movimiento de sus partículas. La energía electrónica, la energía debida a interacciones moleculares, la energía nuclear y otros tipos de interacciones entre partículas contribuyen a la energía potencial.
Aunque la termodinámica tradicional se ocupa de las características macroscópicas de los materiales, como la temperatura, la presión y el volumen, la energía térmica se entiende a nivel microscópico como un aumento de la energía cinética de movimiento de las moléculas que componen una sustancia. La energía cinética de traslación de las moléculas de gas, por ejemplo, es proporcional a la temperatura del gas, las moléculas pueden girar alrededor de su centro de masa y los átomos constituyentes pueden vibrar entre sí.
La energía química también se almacena en los enlaces que mantienen unidas a las moléculas, y las interacciones más débiles de largo alcance entre las moléculas requieren aún más energía. La energía interna total de una sustancia en un estado termodinámico particular es la suma de todos estos tipos de energía. La energía total de un sistema contiene su energía interna, así como cualquier fuente externa de energía, como la energía cinética del movimiento general del sistema y la energía potencial gravitatoria de su elevación.
La energía interna es la suma de todas las formas de energía almacenadas en átomos o moléculas.
Según la naturaleza de los átomos constituyentes, los enlaces y las diversas temperaturas, presiones y otras condiciones, las diferentes sustancias tienen energías internas variables. Incluso en condiciones iguales de temperatura y presión, la energía interna de 1 mol de dirust de carbono diferirá de la energía interna de 1 mol de dirust de azufre. Además, bajo la misma presión atmosférica, la energía interna de un mol de agua a 300 K difiere de la de un mol de agua a 310 K.
Energía Interna como el Estado del Sistema
Se puede utilizar una variedad de características termodinámicas, como presión, volumen, temperatura, energía interna y entalpía, para definir un sistema termodinámico. Estas se agrupan en dos categorías: funciones de estado y funciones de ruta. Una función de estado es una propiedad de un sistema cuyo valor está determinado por los estados inicial y final del sistema. Estos tipos de funciones explican el estado de equilibrio de una función y no se ven afectados por cómo llegó allí el sistema. La energía interna, por ejemplo, es una función de estado que es independiente del camino tomado para cambiar el estado del sistema.
Es la energía total de un sistema. Este consta de una serie de componentes, incluida la energía cinética de traslación de la molécula, la energía de enlace, la energía electrónica y la energía de interacción intermolecular de las partículas constituyentes del sistema, entre otros. La energía interna se ve afectada por factores como la presión, el volumen y la temperatura. Todas las variables de esta lista son funciones de estado. La masa, el volumen, la presión, la temperatura, la densidad y la entropía son ejemplos de funciones de estado. Algunos factores están influenciados por la cantidad de materia presente. Las propiedades intensivas son factores que son independientes de la cantidad de materia presente.
La densidad es un ejemplo. Una función de estado es una propiedad de un sistema que depende únicamente del estado del sistema y no del proceso mediante el cual se logra. La energía interna es independiente del camino utilizado para pasar de una condición a la siguiente. Depende del estado actual del sistema.
Dado que en un sistema se almacenan valores precisos de diferentes tipos de energía, como traslacionales, vibracionales, racionales, químicas, etc., es imposible calcular el valor absoluto de la energía interna que posee una sustancia. La diferencia entre las energías internas de los dos estados se puede utilizar para calcular el cambio en la energía interna de una reacción.
Denotemos las energías internas en los estados A y B como U A y U B , respectivamente. La diferencia de energía interna entre los dos estados será,
∆U=U B – U A
La diferencia de energía interna (∆U) tiene un valor fijo y no se ve afectada por el camino seguido entre dos estados A y B. La diferencia entre las energías internas de los productos y los reactivos, es decir, el cambio en la energía interna, se puede considerar para química reacciones
∆U=U productos – U reactivos
∆U=U p – U r
donde Up denota la energía interna de los productos, U r denota la energía interna de los reactivos y ∆U denota el cambio de energía interna.
∆U es positivo si la energía interna de los productos es mayor que la energía interna de los reactivos.
Esto significa que si U p > U r , entonces ∆U =U p – U r = positivo.
Si la energía interna de los productos es menor que la energía interna de los reactivos, entonces ∆U será negativo.
Esto significa que si U p < U r , entonces ∆U =U p – U r = negativo.
Como resultado, la energía interna, U, es un sistema de estados, es decir, la energía interna es una propiedad del sistema cuyo valor está determinado únicamente por el estado del sistema. Esto significa que la diferencia de energía interna U es independiente del camino y solo depende de los estados inicial y final.
Ejemplos de preguntas
Pregunta 1: ¿Qué significado tiene la energía interna?
Responder:
Dado que las energías posibles entre las moléculas y los átomos son cruciales, la energía interna es importante para comprender los cambios de fase, las reacciones químicas, los eventos nucleares y muchos otros fenómenos microscópicos. En el vacío, ambos objetos tienen energía macroscópica y microscópica.
Pregunta 2: ¿Qué afecta la energía interna?
Responder:
La energía interna se puede cambiar alterando la temperatura o el volumen de un objeto sin cambiar el número de partículas en su interior. A medida que aumenta la temperatura de un sistema, las moléculas se mueven más rápido, lo que da como resultado una mayor energía cinética y, por lo tanto, un aumento de la energía interna.
Pregunta 3: ¿Es la energía interna una función de estado?
Responder:
Una función de estado describe el estado de equilibrio de un sistema, así como el propio sistema. Dado que la energía interna U está definida por las cantidades que determinan el estado del sistema en equilibrio, se denomina función de estado porque cualquier cambio en la energía está completamente determinado por los estados inicial y final del sistema.
Pregunta 4: ¿Se ve afectada la energía interna por la trayectoria del sistema?
Responder:
La energía interna U está totalmente definida por las cantidades que determinan el estado de equilibrio del sistema, por lo que cualquier cambio de energía está enteramente gobernado por los estados inicial y final del sistema. Como resultado, la energía interna es independiente del camino del sistema.
Pregunta 5: ¿Cuándo será negativa la diferencia de energía interna?
Responder:
Cuando la energía interna de los productos es menor que la energía interna de los reactivos, es decir, U p < U r , entonces la diferencia de energía interna ∆U será negativa.