Termodinámica
La energía interna implica la energía a escala microscópica. En el caso de un gas ideal monoatómico, se trata sólo de la energía cinética de traslación del movimiento lineal de los átomos del tipo “esfera dura”, y el comportamiento del sistema está bien descrito por la teoría cinética. Sin embargo, en el caso de los gases poliatómicos existe también energía cinética rotacional y vibracional. Además, en los líquidos y los sólidos existe una energía potencial asociada a las fuerzas de atracción intermoleculares. Una visualización simplificada de las contribuciones a la energía interna puede ser útil para entender las transiciones de fase y otros fenómenos que implican energía interna.
Fórmula de la energía interna en función de la temperatura
Así que, en resumen, si se aceptan las leyes 1ª y 2ª de la termodinámica, la única razón por la que la energía interna de un gas ideal es una función sólo de la temperatura es precisamente porque su ecuación de estado es PV=RT.
La energía interna de un gas ideal consiste únicamente en energía cinética. Si se realiza un trabajo sobre el gas, se añade energía al gas. Eso significa que la energía cinética interna tiene que aumentar. Y como la energía interna de un gas ideal sólo depende de la temperatura, eso significa que la temperatura tiene que aumentar.
Energía interna frente a la temperatura
El presente trabajo presenta un ángulo diferente para examinar los conceptos de las funciones de energía interna de los sistemas termodinámicos. El argumento presentado es que la energía interna total U de un sistema termodinámico consta de dos componentes básicos, Uk, la energía cinética de las partículas materiales que se mueven en el espacio interior del sistema, y Um, la energía almacenada en otras formas dentro de los materiales que contiene el sistema. La energía interna depende de la materia y el intercambio de energía es, por tanto, un proceso de intercambio de materia. La expresión de U en función de la presión P o de la temperatura T dado el volumen V no tiene en cuenta Um. La relación ∆U=q-w es una función de trayectoria para sistemas cerrados sin intercambio de materia. El trabajo (w) como función de trayectoria no está relacionado cuantitativamente con el cambio de U, ya que el trabajo realizado por un sistema sobre su entorno debe ser igual al trabajo realizado por el entorno sobre el sistema. El calor (h) puede ser absorbido o liberado, y la transferencia de calor es un proceso de transferencia de masa. Las conexiones de Uk y Um con la entalpía H, la entropía S, la energía libre de Helmholtz A y la energía libre de Gibbs G son Uk=H=TS, Um=A=G y U=TS+G.
Energía interna de un gas
Los conceptos de trabajo y energía ya se han tratado en mecánica. En los capítulos anteriores también se han tratado ejemplos y cuestiones relacionadas con la transferencia de calor entre diferentes objetos. Aquí queremos ampliar estos conceptos a un sistema termodinámico y su entorno. En concreto, en los dos capítulos anteriores hemos profundizado en los conceptos de calor y transferencia de calor. Aquí queremos entender cómo se realiza el trabajo por o hacia un sistema termodinámico; cómo se transfiere el calor entre un sistema y su entorno; y cómo cambia la energía total del sistema bajo la influencia del trabajo realizado y la transferencia de calor.
Una fuerza creada a partir de cualquier fuente puede realizar trabajo al mover un objeto mediante un desplazamiento. Entonces, ¿cómo realiza trabajo un sistema termodinámico? (La figura muestra un gas confinado en un cilindro que tiene un pistón móvil en un extremo. Si el gas se expande contra el pistón, ejerce una fuerza a través de una distancia y realiza un trabajo sobre el pistón. Si el pistón comprime el gas cuando se mueve hacia dentro, también se realiza trabajo, en este caso, sobre el gas. El trabajo asociado a estos cambios de volumen puede determinarse de la siguiente manera: Sea la presión del gas en la cara del pistón p. Entonces la fuerza sobre el pistón debida al gas es pA, donde A es el área de la cara. Cuando el pistón es empujado hacia afuera una distancia infinitesimal dx, la magnitud del trabajo realizado por el gas es