Ensayo de la energía interna

El hombre junto con su evolución, ha ido desarrollando ideas, teorías o leyes que con el pasar del tiempo se han ido cambiando, confirmando o perfeccionando; tal es el caso de las leyes de la naturaleza entre ellas la de la energía. Si bien es cierto la energía a diferencia de la materia no la podemos percibir, tocar, oler ni pesarse; pero si la podemos reconocer por sus efectos. Generalmente ésta se define como la capacidad que tiene un cuerpo para efectuar un trabajo y que puede presentarse en distintas formas como energía cinética, potencial, química, térmica, interna entre otras. Su principio o también llamado primera ley de la termodinámica, establece que “la energía se puede convertir de una forma a otra, pero no se puede crear ni destruir”. La energía es una función de estado, es decir, una propiedad determinada por el estado del sistema, sin importar cómo se haya alcanzado esa condición; por tal motivo ésta no cambia a menos que cambie el estado del sistema. Si dicho estado no varía, el proceso toma el nombre de estacionario y la variación en la energía total de un sistema durante un proceso es el cambio en su energía interna ; término del que se va a profundizar a continuación.

Un sistema termodinámico, posee una cierta energía a la cual se denomina energía interna (U), debida a la propia constitución de la materia. Ésta consta de dos componentes: energía cinética y energía potencial; el componente de energía cinética consiste en los diversos tipos de movimiento molecular y en el movimiento de los electrones dentro de las moléculas. La energía potencial está determinada en cambio, por las fuerzas de atracción entre los electrones y los núcleos, por las fuerzas de repulsión que existen entre los electrones y entre los núcleos de moléculas individuales, así como por la interacción entre las moléculas. Puesto que la energía interna del sistema se debe a su propia naturaleza, a las partículas que lo constituyen y la interacción entre ellas, esta forma de energía es una propiedad extensiva del sistema; sus unidades son las mismas unidades de energía conocidas como el Julio (J).

De acuerdo al primer enunciado de la termodinámica, la variación en la energía interna de un sistema es igual a la energía transferida a los alrededores o por ellos en forma de calor y de trabajo, expresándola en al siguiente formula: , la cual para cambios infinitesimales queda:
donde Q es el calor que entra o sale del sistema medido en calorías o joules, y W, el trabajo efectuado por el sistema o trabajo realizado sobre éste expresado en calorías o Joules.

La energía interna al igual que la entalpía son funciones de estado cuyo valor absoluto no puede ser calculado, pero si sus variaciones en un proceso termodinámico, a partir del cambio que se produce en la presión, la temperatura o el volumen. En sistemas sencillos cerrados y cuando se trabaja con gases ideales, en general, se suele escribir la energía interna en función de la temperatura y el volumen del sistema, y la entalpía en función de la temperatura y la presión. Así cualquier cambio medible de temperatura, presión o volumen, nos permitirá conocer el cambio en la energía interna y/o en la entalpía:

Si escribimos , tendremos que

 Luego son fundamentalmente estas expresiones junto con la definición del Primer Principio (dU=q+w), las que se emplean de forma general para calcular ΔU, independientemente del tipo de proceso y de la naturaleza del sistema estudiado. Por ejemplo el cambio en la energía interna en un gas ideal durante un proceso  del estado 1 al estado 2 se determina integrando esta ecuación:

 

En cambio, si el fluido experimenta una transformación cíclica, la energía interna será nula.

Para concluir podemos argumentar que la energía interna es la suma de todas las formas de energía microscópicas que existen en un fluido que no está fluyendo , asociada a la energía o calor sensible, a la energía latente cuando existe algún cambio de fase, a la energía química o de enlaces atómicos en una molécula, además de guardar relación con las ecuaciones generales de flujo donde usando la ecuación integral de la variación de energía interna, y considerando la energía en si transportada por el fluido y la transmitida entre el fluido y el entorno; se puede llegar a la conocida ecuación de Bernoulli, donde la fórmula para calcular la variación de energía interna es la siguiente: 

 

Por lo que la importancia de la energía interna radica en distintos campos de la física y química.