Enerxía interna

En física, la enerxía interna (O) d'un sistema intenta ser un reflexu de la enerxía a escala macroscópica. Más concretamente, ye la suma de:

la enerxía cinética interna, esto ye, de les sumes de les enerxíes cinétiques de les individualidaes que formen un cuerpu respeuto al centru de mases del sistema,
la enerxía potencial interna, que ye la enerxía potencial acomuñada a les interacciones ente estes individualidaes.^[1]

La enerxía interna nun inclúi la enerxía cinética traslacional o rotacional del sistema como un tou. Tampoco inclúi la enerxía potencial que'l cuerpu pueda tener pol so llocalización nun campu gravitacional o electrostático esternu.

Tou cuerpu tien una enerxía acumulada nel so interior equivalente a la enerxía cinética interna más la enerxía potencial interna.

Si pensamos en constituyentes atómicos o moleculares, va ser la resultancia de la suma de la enerxía cinética de les molécules o átomos que constitúin el sistema (de les sos enerxíes de traslación, rotación y vibración) y de la enerxía potencial intermolecular (debida a les fuercies intermoleculares) ya intramolecular de la enerxía d'enllaz.

Nun gas ideal monoatómico va bastar con considerar la enerxía cinética de traslación de los sos átomos.
Nun gas ideal poliatómico, tendremos de considerar amás la enerxía vibracional y rotacional de les mesmes.
Nun líquidu o sólidu tendremos d'añader la enerxía potencial que representa les interacciones moleculares.

Dende'l puntu de vista de la termodinámica, nun sistema zarráu (esto ye, de parés impermeables), la variación total d'enerxía interna ye igual a la suma de les cantidaes d'enerxía comunicaes al sistema en forma de calor y de trabayu $\Delta O=Q+W$ (en termodinámica considérase'l trabayu negativu cuando esti entra nel sistema termodinámicu, positivu cuando sale). Anque'l calor tresmitíu depende del procesu en cuestión, la variación d'enerxía interna ye independiente del procesu, namái depende del estáu inicial y final, polo que se diz que ye una función d'estáu. De la mesma $dU$ ye una diferencial exacta, a diferencia de $\eth Q$ , que depende del procesu.

L'enfoque termodinámicu: la ecuación fundamental

En termodinámica deduzse la esistencia^[2] d'una ecuación de la forma : $O=O(S,V,N)\qquad$ conocida como ecuación fundamental en representación enerxética, siendo S, V y N la entropía, el volume y la cantidá de sustancia en moles, respeutivamente.

La importancia de la mesma anicia en que concentra nuna sola ecuación tola información termodinámica d'un sistema. El llogru de resultaos concretes a partir de la mesma conviértese entós nun procesu sistemáticu.

Si calculamos el so diferencial:

dU=\left({\frac {\partial O}{\partial S}}\right)dS+\left({\frac {\partial O}{\partial V}}\right)dV+\left({\frac {\partial O}{\partial N}}\right)dN

defínense les sos derivaes parciales:

la temperatura $T={\frac {\partial O}{\partial S}}$
la presión $P=-{\frac {\partial O}{\partial V}}$
el potencial químicu $\mu ={\frac {\partial O}{\partial N}}$ .

Como T, P y $\mu$ son derivaes parciales d'O, van ser funciones de les mesmes variables qu'O:

T=T(S,V,N)\qquad P=P(S,V,N)\qquad \mu =\mu (S,V,N)

Estes rellaciones reciben el nome de ecuaciones d'estáu. Polo xeneral nun se dispón de la ecuación fundamental d'un sistema. Nesi casu les sos sustitución pol conxuntu de toles ecuaciones d'estáu apurriría una información equivalente, anque de cutiu tengamos de conformanos con un subconxuntu de les mesmes.

Delles variaciones de la enerxía interna

Al aumentar la temperatura d'un sistema, aumenta la so enerxía interna, reflexada nel aumentu de la enerxía térmica del sistema completu, o de la materia estudiao.

Convencionalmente, cuando se produz una variación de la enerxía interna manifestada na variación del calor que puede ser vencíu, calteníu o absorbíu puede midise esti cambéu na enerxía interna indireutamente pola variación de la temperatura de la materia.

Variación ensin cambéu d'estáu

Ensin que se modificar l'estáu de la materia que compón el sistema, falar de variación de la enerxía interna sensible o calor sensible y puede calculase d'alcuerdu a los siguientes parámetros;

Q=C_{y}m\Delta T\!

Onde cada términu coles sos unidaes nel Sistema Internacional son:

Q = ye la variación d'enerxía o de calor del sistema nun tiempu definíu (J).

Ce = calor específico de la materia (J/kg·K).

m = masa.

$\Delta T\!$ = temperatura final del sistema - temperatura inicial (K).

Exemplu

Calcular la enerxía total d'un sistema compuestu de 1 g d'agua en condiciones normales, ye dicir al altor del mar, una atmósfera de presión y a 14 °C pa llevalo a 15º C, sabiendo que la Ce de l'agua ye = 1 [cal/g·°C].

Aplicando la fórmula $Q=C_{y}m\Delta T\!$ y reemplazando los valores, tenemos;

Q = 1 [cal/g·°C] · 1 [g] · (15 - 14) [°C] = 1 [cal]

Enerxía cinética media d'un gas ideal

$Y_{cm}={\frac {3}{2}}(KT)={\frac {1}{2}}mv_{m}^{2}\!$

K = Constante de Boltzmann = 1,38·10^-23 J/K

$v_{m}\!$ =Velocidá media de la molécula

Les propiedaes termodinámiques d'un gas ideal pueden ser descrites por dos ecuaciones:

La ecuación d'estáu d'un gas ideal clásicu que ye la llei de los gases ideales

PV=nRT\,

y la enerxía interna a volume constante d'un gas ideal que queda determinada pola espresión:

O={\hat {c}}_{V}nRT

onde :* P ye la presión

V ye'l volume
n ye la cantidá de sustancia d'un gas (en moles)
R ye la constante de los gases (8.314 J·K⁻¹mol^-1)
T ye la temperatura absoluto
O ye la enerxía interna del sistema :*

${\hat {c}}_{V}$ ye'l calor específico adimensional a volume constante, ≈ 3/2 pa un gas monoatómico, 5/2 pa un gas diatómico y 3 pa molécules más complexes. La cantidá de gas en J·K⁻¹ ye $nR=Nk_{B}$ onde :* N ye'l númberu de partícules de gas

$k_{B}$ ye la constante de Boltzmann (1.381×10⁻²³J·K⁻¹).

La distribución de probabilidá de les partícules por velocidá o enerxía queda determinada pola distribución de Boltzmann.

Variación con cambéu de la composición química

Si produz alteración de la estructura atómica-molecular, como ye'l casu de les reacciones químiques o cambéu d'estáu, falar de variación de la enerxía interna química o variación de la enerxía interna latente.

Esta condición de cambéu d'estáu puede calculase d'alcuerdu a:

Q=C_{ce}m\!

Onde $C_{ce}\!$ = Coeficiente de cambéu d'estáu, midíu en [J/kg]

Variación nuclear

Finalmente, nes reacciones de fisión y fusión falar d'enerxía interna nuclear.

Ver tamién

Referencies

↑ Ibáñez, J.A. y Ortega M.R. Termología 1. ISBN 84-404-4291-2.
↑ Biel, J. Formalismu y métodos de la termodinámica (Vol 1).Granada, 1987. ISBN 641-1986 .(Capítulu 9).

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[1] Ibáñez, J.A. y Ortega M.R. Termología 1. ISBN 84-404-4291-2.

[2] Biel, J. Formalismu y métodos de la termodinámica (Vol 1).Granada, 1987. ISBN 641-1986 .(Capítulu 9).

[1]

[2]