¿Cuáles son dos maneras generales para incrementar la energía interna de una sustancia?

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Hemera Technologies/AbleStock.com/Getty Images

En la termodinámica (la ciencia de las relaciones o trabajo entre el calor y la energía mecánica), la energía interna de una sustancia es definida como la energía total de sus moléculas. Esta energía consiste en energía cinética, potencial y química, y puede incrementarse al transferir calor a la sustancia o al realizar trabajo en ella.

Definición

La energía interna de una sustancia es la suma de las formas microscópicas de energía que tiene esa sustancia, según Yunus Cengel y Michael Boles en su libro del 2004, "Termodinámica: un enfoque de ingeniería". Esta energía microscópica está relacionada con la estructura molecular, y el grado de actividad molecular, de la sustancia. Las moléculas poseen energía cinética, potencial y química. Cengel y Boles señalan que el símbolo universal para la energía interna, "U", apareció por primera vez en los trabajos del físico Rudolf Clausius y William Rankine en la segunda mitad del siglo XIX.

Energía cinética

La porción de la energía interna de una sustancia asociada con la energía cinética de sus moléculas se refiere comúnmente como energía sensible. La energía cinética es la del movimiento y está compuesta de energía de traslación, rotación, vibración y giro, como se describe abajo. Las moléculas de una sustancia gaseosa se mueven continuamente a través del espacio con un poco de velocidad y por lo tanto, poseen una energía cinética llamada energía de traslación. Los átomos dentro de las moléculas de cualquier sustancia también rotan sobre un eje dando energía de rotación. Estos átomos pueden vibrar también sobre su centro común de masa dentro de las moléculas. Esta energía se llama de vibración. Finalmente, los electrones dentro de los átomos rotan sobre el núcleo del átomo (energía de rotación) y giran sobre sus propios ejes individuales (energía de giro). La energía sensible de una sustancia es proporcional a la temperatura de ese sistema. Un incremento en la temperatura, por lo tanto, resulta en un incremento de la energía interna.

Energía potencial

Una porción de la energía interna también está asociada con las fuerzas de enlace entre las moléculas de una sustancia. Estas fuerzas de enlace son más fuertes en sólidos, más débiles en líquidos y mucho más débiles en gaseosos. Si se añade suficiente energía a un líquido, por ejemplo, entonces sus moléculas se energizan lo suficiente para romper esos enlaces intermoleculares, y el líquido se convierte en un gas. Se dice que la sustancia ha pasado por un cambio de fase; la energía interna asociada con este cambio se llama energía latente. La presencia de esta energía latente significa que un gas posee más energía que un líquido, que a su vez, tiene más energía que un sólido. Una sustancia en la fase gaseosa o líquida, por lo tanto, posee el potencial para liberar la energía latente cuando cambia a una fase con energía más baja, por eso el término de energía potencial.

Energía química

La energía que enlaza los átomos para formar moléculas y que enlaza los electrones al núcleo atómico se refiere como energía química, la cual también contribuye a la energía interna de una sustancia. La única manera de alterar esta energía es a través de una reacción química, la cual es menos común en los procesos termodinámicos.

Transferencia de calor y trabajo

La transferencia de calor es un proceso de transferencia de energía conducido por una diferencia de temperatura. El trabajo es cualquier proceso de transferencia de energía conducido por una fuerza diferente a una diferencia de temperatura. El trabajo se realiza cuando una fuerza actúa sobre un desplazamiento o distancia. Juntos, la transferencia de calor y el trabajo representan las dos maneras generales para alterar la energía de una sustancia.

Incrementar la energía interna

Para poder incrementar la energía interna de una sustancia, el calor tiene que transferirse a la sustancia o hay que realizar trabajo en ella. La transferencia de calor a una sustancia puede lograrse al hacer contacto con otra sustancia o sistema con una temperatura más alta. Ya que el calor se transfiere de una sustancia caliente a una fría, la temperatura de la sustancia fría incrementa, resultando en un incremento de la energía interna. El trabajo puede hacerse en una sustancia de varias maneras. Un ejemplo típico es el trabajo de contorno, como en un pistón y un dispositivo cilíndrico en el cual un contorno del sistema (pistón) ejerce una fuerza en la sustancia ya que la mueve una distancia durante una carrera de compresión. La sustancia es comprimida, y las moléculas son forzadas a acercarse más las unas con las otras. Por lo tanto, las fuerzas intermoleculares incrementan, y la energía potencial de la sustancia y su energía interna incrementan. Un segundo ejemplo común ocurre durante el trabajo del eje, en el cual una fuerza es aplicada a un eje sobre cierta distancia, llamada el brazo del momento o distancia del nivelador, resulta en rotación. Esta energía de rotación es entonces transferida en el sistema, causando un incremento en la actividad molecular y por lo tanto, un incremento en la energía interna.