Page 327 - Fisica General Burbano

338 PRIMER Y SEGUNDO PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA

XVI. – 2. Energía interna de un sistema
Si tomamos un gas encerrado en un recipiente cilíndrico provisto de un pistón que ajusta
herméticamente, que pueda deslizarse por sus paredes, al comunicarle calor desde el exterior (ca-
lentarlo), entonces el gas, «venciendo» a la fuerza debida a la presión externa, al peso del pistón y
a las fuerzas de rozamiento entre éste y las paredes del recipiente, se «expansiona» (aumenta su
volumen) haciendo ascender al pistón. Observada esta experiencia razonamos diciendo que la
energía calorífica comunicada al sistema se ha transformado en trabajo mecánico para hacer as-
cender al émbolo venciendo las fuerzas debidas a la presión exterior, al peso y a las resistencias
pasivas, y en aumentar la «energía interna del gas»; los primeros resultados en los que el calor se
transforma en energía mecánica, se comprenden perfectamente con los estudios realizados hasta
ahora, pero ¿qué es ese aumento de energía interna del gas? Para comprender esto y otras incóg-
nitas que no hemos podido plantear en los anteriores estudios de calor y sus efectos, tenemos que
recurrir a un estudio microscópico del sistema.
Supongamos ahora que el recipiente que contiene al gas es indeformable, al comunicarle una
cierta energía calorífica es absorbida por el sistema y aparentemente ha desaparecido; sabemos
que esto es imposible y que el principio de conservación de la energía, exige que esta energía se
acumule en el gas; diremos de nuevo que «ha ido a aumentar su energía interna».
Entenderemos por ENERGÍA INTERNA de cualquier cuerpo, sea cual sea su estado, la energía total
que se refiere a sus partículas; en ella entran: la energía cinética de movimiento de las moléculas
respecto del centro de masas del sistema, la de movimiento de los átomos respecto del centro de
masas de la molécula si ésta no es monoatómica, la energía potencial de interacción de los átomos
dentro de la molécula, e incluso la energía cinética y potencial de las partículas que entran en la
composición de los átomos.
En el último caso comentado, las moléculas que constituyen el gas, al calentarlo, han aumenta-
do su velocidad y por tanto su energía cinética, y razonamos diciendo que «El sistema ha experi-
mentado un aumento de energía interna igual a la energía térmica comunicada».

XVI – 3. Generalización del principio de la equivalencia. Primer principio de
Termodinámica
En la transformación del calor en trabajo y su inversa hay que considerar que, en general, los
estados extremos no son idénticos, es decir, que la energía calorífica comunicada (dQ) se distribu-
ye entre una realización de trabajo y una acumulación de energía interna en el propio sistema.
Si aplicamos al ciclo cerrado de la Fig. XVI-2 el principio de equivalencia tendremos que:
z (dQ - dW ) =0 Þ z 2 (dQ - dW ) + z 1 (dQ - dW ) =0

a
1
cambiando los extremos de la integral podemos poner: 2 b
Fig. XVI-2.– En una transformación
termodinámica cualquiera en la que z 2 z 2 z 2 z 2 MUESTRA PARA EXAMEN. PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR
el sistema pasa de 1 a 2 la diferencia (dQ - dW ) - (dQ - dW ) =0 Þ (dQ - dW ) = (dQ dW- )
del calor absorbido y el trabajo exte- 1 a 1 b 1 a 1 b
rior producido, no depende de los ca- Si en el proceso que estudiamos hacemos el mismo razonamiento pero pasando de 2 a 1 por
minos intermedios, dependiendo úni-
z 2 (dQ - dW ) = z 2 (dQ - dW )
camente del estado 1 y del estado 2. el camino c nos resultará:

1
a
c 1
haciendo el mismo razonamiento pero volviendo de 2 a 1 por el camino que queramos, siempre
obtenemos para la integral el mismo valor, es decir:
z 2 (dQ - dW ) = z 2 (dQ - dW ) = 2 (dQ dW ) ...=
z
-
b
1
a
c 1
1
luego en una transformación cualquiera en la que el sistema pasa de 1 a 2 la diferencia del calor
absorbido y el trabajo exterior producido, no depende de los caminos intermedios, dependiendo
únicamente del estado 1 y del estado 2.
Atribuimos al estado 1 una función U y al estado 2 la función U , de modo que en la transfor-
2
1
mación en que el sistema pasa de 1 a 2 tendremos:
z 1 2 (dQ - dW ) = U 2 - U 1 Û Q 2 1 - W 1 2 U = 2 U - 1

bien entendido que el valor de Q 1 2 y de W 1 2 depende de los estados intermedios, no así su dife-
rencia. A la función de estado U se le llama ENERGÍA INTERNA DEL SISTEMA.
Si los estados 1 y 2 son infinitamente próximos, pondremos la ecuación anterior de la forma: