La energía interna U es la energía total del movimiento caótico (térmico) de las micropartículas del sistema y la energía potencial de su interacción. A diferencia de la energía mecánica del cuerpo como un todo, la energía interna no depende de la velocidad o la posición del cuerpo en el espacio, sino que está determinada por su temperatura, volumen y composición química. La primera ley de la termodinámica relaciona el cambio en la energía interna (ΔU) con la cantidad de calor transferido (Q) y el trabajo realizado sobre el sistema (W): ΔU = Q - W.
Historia
La idea de que el calor está relacionado con el movimiento de partículas se remonta a los trabajos de Benjamin Thompson (Conde de Rumford) a finales del siglo XVIII, pero la descripción cuantitativa comenzó en el siglo XIX. James Joule demostró experimentalmente en 1843 la equivalencia entre trabajo mecánico y calor. Rudolf Clausius introdujo el concepto de energía interna en 1850, formulando la primera ley de la termodinámica. Ludwig Boltzmann desarrolló la interpretación estadística, vinculando la energía interna con el movimiento microscópico de las partículas. James Clerk Maxwell y otros elaboraron la teoría cinética de los gases, que proporcionó una expresión explícita de la dependencia de la energía interna respecto a la temperatura.
Cómo funciona
El cambio en la energía interna de un sistema ocurre según la primera ley de la termodinámica: ΔU = Q - W, donde Q es el calor transferido al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema sobre el entorno. Para un gas ideal, la energía interna aumenta con la temperatura: las moléculas que se mueven más rápido tienen más energía cinética. Durante las transiciones de fase (fusión, evaporación), la energía se emplea en superar las fuerzas intermoleculares en vez de aumentar la temperatura; así surge el calor latente. En la termodinámica de procesos irreversibles, el cambio local de la energía interna se describe mediante la ecuación de conducción del calor. Conceptos estrechamente relacionados: entropía (medida del desorden), entalpía (U + pV), energía libre. Leyes: primera ley de la termodinámica, segunda ley de la termodinámica (que establece la dirección de los procesos).
En la práctica
Comprender la energía interna permite convertir eficientemente el calor en trabajo en motores y sistemas de refrigeración, así como predecir reacciones químicas y transiciones de fase.
Dato curioso
Incluso el hielo a temperaturas bajo cero posee energía interna: las moléculas de agua en la red cristalina siguen vibrando, y solo en el cero absoluto (−273,15 °C) este movimiento se detiene teóricamente.
Miles de millones de pequeños motores zumban dentro de cada ser vivo. Las células bombean sustancias sin parar, queman azúcar, construyen nuevas proteínas — y todo ese movimiento invisible nos calienta desde dentro. Para mantener el orden, la vida debe disipar calor al entorno, como una estufa que nunca se apaga.
En una cacerola con sopa hirviendo, las corrientes turbulentas llevan el calor hacia las paredes y la sopa se enfría. En un tokamak — una enorme botella magnética para el plasma — ocurre lo mismo: los remolinos de turbulencia arrastran la energía hacia afuera, impidiendo encender la reacción de fusión.
Una batería normal de teléfono respira, pero no aire, sino contacto. Dentro de un sólido, donde no hay líquidos, el litio se aprieta contra el electrolito (la sustancia que conduce iones) al cargarse, y se separa al descargarse, como un pulmón al inhalar y exhalar.
El efecto Mpemba sorprende: el agua caliente agua a veces se congela más rápido que la fría. Los científicos crearon un modelo simple: una bolita en un medio espeso como la miel, en un paisaje con dos depresiones y una pared en un extremo. La bolita se mueve con viscosidad, sin saltar la colina central.
Un hilo flexible enrollado en anillo se encierra en una cajita con líquido. Puede absorber agua e hincharse como una esponja, o expulsar la humedad y encogerse en una bola apretada. La elección entre estos estados depende de si el hilo tiene un nudo, y de cuál sea.
La razón está en la entropía, la medida del desorden.
Una célula es una ciudad donde diminutos motores trabajan sin cesar. Transportan cargas, mueven cilios y hacen que los músculos se contraigan. Todo ese trabajo desprende calor, como se calienta el motor de un automóvil. Pero medir ese calor en un motor individual de unos pocos nanómetros no es tarea fácil.
En un congelador, el agua común se convierte en hielo, pero en las células vivas ese hielo es una catástrofe: los cristales afilados desgarran las membranas como agujas que pinchan un globo. Los científicos que preservan células para la medicina han aprendido a evitar este desastre, pero cada método habla su propio idioma.
En la danza cósmica, la energía oscura y la materia oscura intercambian energía. Durante mucho tiempo, se pensó que la energía oscura era una fuerza constante que aceleraba el Universo, un descubrimiento por el cual Riess, Perlmutter y Schmidt recibieron el…
El agua en un vaso se enfría, el hielo se derrite y la tetera calienta la estufa: así funciona el mundo: el calor siempre va de lo caliente a lo frío. Es la segunda ley de la termodinámica, una ley que nunca se ha violado.
Dos cúbits, que son bits cuánticos, sistemas de dos niveles, se deslizan a través de baños térmicos, uno caliente y otro frío. Uno se mueve a 0,8 veces la velocidad de la luz. En ese momento, la termodinámica convencional se resquebraja: un cúbit en movimiento percibe la temperatura de manera distinta a uno en reposo.
