Energía Interna

El total de todos los tipos de energía posibles presentes en una sustancia se llama energía interna (U), a veces simbolizada como E. Suponga que un sistema con energía interna inicial, U_inicial, sufre un cambio en la energía (transferencia de trabajo o calor), y la energía interna final del sistema es U_final. El cambio en la energía interna equivale a la diferencia entre U_final y U_inicial. 

Aunque los valores de U_final y U_inicial no pueden ser determinados para un sistema, la primera ley de la termodinámica sólo requiere el valor de ΔU, que puede determinarse incluso sin conocer los valores de U_final  y U_inicial. Un valor positivo de ΔU resulta cuando U_final > U_inicial, e indica que el sistema ha ganado energía del entorno. Se obtiene un valor negativo de ΔU cuando U_final < U_inicial, e indica que el sistema ha perdido energía en el entorno.

El calor (energía térmica) y el trabajo (energía mecánica) son las dos formas diferentes en que un sistema puede intercambiar energía con su entorno. La energía se transfiere a un sistema cuando absorbe calor (q) del entorno o cuando el entorno realiza trabajo (w) en el sistema. 

Por ejemplo, la energía se transfiere a un alambre metálico a temperatura ambiente si este es sumergido en agua caliente (el alambre absorbe calor del agua), o cuando el alambre es doblado rápidamente hacia adelante y hacia atrás (el alambre se calienta debido al trabajo hecho en él). Ambos procesos aumentan la energía interna del alambre, lo que se refleja en un aumento en la temperatura del mismo. Por el contrario, la energía se transfiere fuera de un sistema cuando se pierde calor del sistema o cuando el sistema hace trabajo sobre el entorno. Por ejemplo, la quema de combustible para cohetes libera una enorme cantidad de calor y también realiza trabajo en los alrededores aplicando una fuerza a lo largo de una distancia (haciendo que un transbordador espacial se levante del suelo). Ambos procesos disminuyen la energía interna del sistema.

La relación entre la energía interna, el calor y el trabajo se puede representar mediante la ecuación:

Esta es una versión de la primera ley de la termodinámica y muestra que la energía interna de un sistema cambia a través del flujo de calor dentro o fuera del sistema o el trabajo hecho en o por el sistema. Las señales de calor y trabajo dependen de si el sistema gana o pierde energía. El valor q positivo es el flujo de calor que entra en el sistema desde el entorno, mientras que el valor q negativo es el flujo de calor que sale del sistema. El trabajo, w, es positivo si es realizado sobre el sistema y negativo si es realizado por el sistema.

Cuando q y w son positivos (>0), ΔU siempre es positivo (>0), y la energía interna del sistema aumenta. Cuando q y w son negativos (<0), ΔU siempre es negativo (<0) y la energía interna del sistema disminuye. Si q y w tienen convenciones de signos diferentes, entonces el signo de &DeltaU depende de las magnitudes relativas de q y w.  

La unidad SI de energía, calor y trabajo es el joule (J).

Este texto ha sido adaptado de OpenStax, Química 2e, Sección 5.3: Entalpía.