Energía interna

1. Pared adiabática:

Cuando se realiza trabajo sobre, o desde, el sistema, dado que la energía se conserva, debe partir y acabar en algún sitio, se produce una variación de la energía, $E$, de aquél.

$\Delta E = W_{\rm ad}$

($W_{\rm ad} \equiv$ trabajo adiabático)

Siendo de varios tipos la energía del sistema:

$E = E_{\rm cin} + E_{\rm pot} + E_{\rm int}$

Donde $E_{\rm cin}$ y $E_{\rm pot}$ son, respectivamente, las energías del sistema macroscópicas, no moleculares, cinética, debida a su movimiento, y potencial, causada por la presencia de campos. Mientras que $E_{\rm int}$ es la energía interna del sistema, por los movimientos e interacciones entre sí de las moléculas.

Si:

Entonces:

$\Delta E = \Delta U = W_{\rm ad}$

Donde, comprobado experimentalmente, $W_{\rm ad}$ sólo depende del estado inicial y final del sistema, no depende del camino, del proceso. En caso contrario iría contra el principio de conservación de la energía. Por tanto, a cada estado del sistema le corresponde un valor único, aunque sólo se conozca de forma relativa, de energía interna. Siendo pues $U$ función de estado, viene dada únicamente por el estado presente del sistema. Esto es:

$\Delta U = U_f - U_i = W_{\rm ad}$

2. Pared diatérmica:

Si $T_{\rm sistema} \neq T_{\rm medio}$, experimentalmente:

$W_{i \to f}$(diatérmico)${}\neq W_{i \to f}$(adiabático) $= U_f - U_i$

La diferencia entre ambos trabajos es el calor, ya que se ha de conservar la energía (no puede desaparecer). Esto es, por el principio de conservación de la energía:

$Q = W_{\rm ad} - W_{\rm nad}$

Donde:

$W_{\rm ad} \equiv W_{i \to f}$(adiabático)

$W_{\rm nad} \equiv W_{i \to f}$(diatérmico)

Como:

$W_{\rm ad} = \Delta U$

Entonces:

$Q = \Delta U - W_{\rm nad}$

Así pues, expresión general, la variación de energía interna es igual al calor más el trabajo:

$\boxed{\Delta U = Q + W}$   (1.er principio)

Donde se ha sustituido $W_{\rm nad}$ por el término génerico $W$, (nótese que cuando $Q$ es cero entonces $W = \Delta U = W_{\rm ad}$).

Para infinitesimales:

$dU = q + w$

Se escriben simplemente como $q$ y $w$, cuando son infinitesimales, ya que el calor y el trabajo no son diferenciales exactas, salvo cuando una de las dos es cero, aunque sí lo es su suma.

Se cumple que:

Signos: