3.1 Energía interna
En primer lugar hay que definir el concepto de energía interna, que será la contenida dentro de nuestro sistema, independientemente de sus interacciones con el entorno o su estado de movimiento. Por tanto:
Actividad
Se denomina energía interna (U) de un sistema a la suma de las energías cinética y potencial de todas las partículas que lo componen. Debido a la gran cantidad de partículas involucradas, es imposible medir la energía interna de un sistema, por lo que únicamente pueden medirse las variaciones de la misma.
En el tema dedicado a la energía vimos que la energía total contenida en un sistema es constante, que se conserva en todo momento. Así podemos particularizar la ley de conservación de la energía a un sistema termodinámico aislado. En tal caso, no existe intercambio de materia con el entorno con lo que, según se ha visto, únicamente puede transferirse energía en forma de trabajo o de calor, lo que da lugar al enunciado del primer principio de la termodinámica:
Actividad
La variación de la energía interna (U) de un sistema es igual a la suma de la energía suministrada en forma de trabajo (W) más la aportada en forma de calor (Q). Matemáticamente:
Resulta necesario establecer un convenio de signos para la energía intercambiada, en el que se considerará positivo todo intercambio de energía, ya sea en forma de trabajo o de calor, que aumente la energía interna del sistema, y negativo si la disminuye. Así:
- Si el entorno realiza un trabajo sobre el sistema, aumenta la energía interna del sistema y W > 0
- Si el sistema realiza un trabajo sobre el entorno, disminuye la energía interna del sistema y W < 0
- Si el sistema se calienta, aumenta la energía interna y por tanto Q > 0
- Si el sistema se enfría, la energía interna disminuye y Q < 0
En la imagen siguiente puedes observar gráficamente este convenio:
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| Imagen 16. Elaboración propia |
Actividad
Los sistemas termodinámicos no se caracterizan por tener trabajo ni calor, sino que tienen energía interna. Trabajo y calor simplemente son las formas de variar su energía interna.
Ejemplo o ejercicio resuelto
Un recipiente contiene 200 g de aceite a 40 ºC de temperatura. Si el calor específico del aceite es ce_aceite = 1680 J/(kg·K), responde a las siguientes cuestiones:
a) Si mediante un agitador realizamos un trabajo de 5000 J y el sistema pierde hacia su entorno 5000 J en forma de calor, ¿cuál será el incremento en la energía interna del sistema? ¿Y la temperatura final del aceite?
b) Y si ahora aumentamos el trabajo realizado a 10000 J y el sistema sigue perdiendo hacia su entorno 5000 J en forma de calor, ¿cuál será el
incremento en la energía interna del sistema? ¿Y la temperatura final
del aceite?
AV - Reflexión
Para refrigerar el agua de un depósito aislado que contiene 70 kg de agua a 85 ºC se añaden 30 kg de agua fría a 25 ºC.
Cuando se alcance el equilibrio, ¿cuál será la temperatura final de la mezcla? Dato: ce_agua = 4180 J/(kg·K)