La energía interna de un sistema termodinámico es la energía contenida en él. Es la energía necesaria para crear o preparar el sistema en cualquier estado interno dado. No incluye la energía cinética de movimiento del sistema como un todo, ni la energía potencial del sistema como un todo debido a campos de fuerza externos, incluyendo la energía de desplazamiento de los alrededores del sistema. Lleva la cuenta de las ganancias y pérdidas de energía del sistema que se deben a cambios en su estado interno. [1] [2] La energía interna se mide como una diferencia de un cero de referencia definido por un estado estándar. La diferencia está determinada porprocesos termodinámicos que llevan al sistema entre el estado de referencia y el estado actual de interés.
La energía interna es una propiedad extensiva y no se puede medir directamente. Los procesos termodinámicos que definen la energía interna son transferencias de sustancias químicas o de energía en forma de calor y trabajo termodinámico . [3] Estos procesos se miden por los cambios en las variables extensivas del sistema, como la entropía, el volumen y la composición química . A menudo no es necesario considerar todas las energías intrínsecas del sistema, por ejemplo, la energía de masa estática en reposo de su materia constituyente. Cuando la transferencia de masa es impedida por muros de contención impermeables, se dice que el sistema está cerrado y elLa primera ley de la termodinámica define el cambio en la energía interna como la diferencia entre la energía añadida al sistema en forma de calor y el trabajo termodinámico realizado por el sistema sobre su entorno. Si las paredes que lo contienen no dejan pasar ni sustancia ni energía, se dice que el sistema está aislado y su energía interna no puede cambiar.
La energía interna describe toda la información termodinámica de un sistema, y es una representación equivalente a la entropía, ambas funciones de estado cardinales de solo variables de estado extensivas. [4] Por lo tanto, su valor depende solo del estado actual del sistema y no de la elección particular entre muchos procesos posibles por los cuales la energía puede pasar hacia o desde el sistema. Es un potencial termodinámico . Microscópicamente, la energía interna se puede analizar en términos de la energía cinética del movimiento microscópico de las partículas del sistema a partir de traslaciones , rotaciones y vibraciones , y de la energía potencial asociada con fuerzas microscópicas, incluidos los enlaces químicos ..
La unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el joule (J). La energía interna relativa a la masa con unidad J/kg es la energía interna específica . La cantidad correspondiente relativa a la cantidad de sustancia con unidad J/ mol es la energía interna molar . [5]
La energía interna de un sistema depende de su entropía S, su volumen V y su número de partículas masivas: U ( S , V ,{ N j }) . Expresa la termodinámica de un sistema en la representación de la energía . Como función de estado , sus argumentos son exclusivamente variables extensivas de estado. Junto a la energía interna, la otra función cardinal de estado de un sistema termodinámico es su entropía, como función, S ( U , V ,{ N j }) , de la misma lista de variables de estado extensivas, excepto que la entropía, S, se reemplaza en la lista por la energía interna, U . Expresa la representación de la entropía . [4] [6] [7]
Cada función cardinal es una función monótona de cada una de sus variables naturales o canónicas . Cada uno proporciona su ecuación característica o fundamental , por ejemplo U = U ( S , V ,{ N j }) , que por sí sola contiene toda la información termodinámica del sistema. En principio, las ecuaciones fundamentales para las dos funciones cardinales pueden interconvertirse resolviendo, por ejemplo, U = U ( S , V ,{ N j }) para S , para obtenerS = S ( U , V , { norte j }) .