Introducción a la Termoquímica: Energía Interna

Relevancia del Tema

La Termoquímica, rama de la Química que estudia las transferencias de energía, es esencial para entender procesos físico-químicos que ocurren a nuestro alrededor, desde la simple combustión de un fósforo hasta la compleja producción de energía en reactores nucleares. Dentro de este vasto campo, la noción de Energía Interna surge como concepto fundamental, ya que es la energía contenida en una sustancia, en forma de vibración, rotación y movimiento de sus moléculas.

Contextualización

La Energía Interna es un componente clave de muchos temas de Química, incluyendo la Ley de Conservación de la Energía, la Entalpía y la Entropía. Sin una comprensión adecuada de este concepto, muchos de estos temas pueden resultar difíciles de entender. En el currículo de Química del 2º año de la Enseñanza Media, el estudio de la Energía Interna está directamente relacionado con otras dos grandes áreas de estudio, la Termodinámica y las Ecuaciones Químicas. A través de la Termoquímica, la Energía Interna nos proporciona una poderosa herramienta de cálculo y predicción sobre las reacciones químicas y los cambios que ocurren durante estos procesos.

Desarrollo Teórico

Componentes

• Energía Interna (U) y su Medida (Joule): La energía interna es la suma de todas las formas de energía de un sistema que se refiere a la velocidad de las partículas que lo componen. Esta energía se mide en joules. Es importante destacar que la energía interna es una función de estado, lo que significa que solo las diferencias entre sus valores iniciales y finales durante un cambio son importantes.

• Variación de la Energía Interna (ΔU): Representa la diferencia entre la energía interna final y la inicial de un sistema. Puede calcularse como la suma del calor (Q) transferido al sistema y del trabajo (W) realizado sobre o por el sistema: ΔU = Q + W.

• Calor (Q) y Trabajo (W) en el Contexto de la Energía Interna: En el contexto de la Energía Interna, el calor (Q) es la energía transferida entre un sistema y su entorno debido a una diferencia de temperatura. El trabajo (W), por otro lado, es la energía transferida que no se debe a una diferencia de temperatura (por ejemplo, a través de fuerzas externas).

Términos Clave

• Sistema y Vecindad: El sistema se refiere a la parte específica del universo que se está estudiando, mientras que la vecindad se refiere a todo lo demás en el universo que no forma parte del sistema. La línea que separa el sistema de la vecindad se llama frontera del sistema.

• Proceso y Estado: Un proceso es un cambio real que ocurre en un sistema, mientras que un estado es la condición del sistema en un momento dado.

• Ley de Conservación de la Energía: Esta ley fundamental de la naturaleza afirma que la energía total de un sistema aislado permanece constante, pudiendo transformarse de una forma a otra, pero la cantidad total de energía no cambia.

Ejemplos y Casos

• Se sabe que 1 mol de un gas ideal sufre una expansión isotérmica a una temperatura de 300 K y absorbe 2.5 kJ de calor en la reacción. ¿Cuál es la variación de la energía interna del gas (ΔU)?

  • En este caso, el trabajo es cero, ya que una expansión isotérmica ocurre en un sistema de temperatura constante, lo que implica que la presión externa y la presión interna del gas son iguales durante todo el proceso. Por lo tanto, a través de la ecuación ΔU = Q + W y sabiendo que W = 0, la variación de la energía interna es igual al calor transferido al sistema: ΔU = 2.5 kJ.

• Durante el proceso de ebullición del agua a 373.15 K (100°C), ¿la energía interna del agua aumenta o disminuye? Justifique.

  • Durante el proceso de ebullición, el agua absorbe calor de la vecindad sin que su temperatura aumente. Por lo tanto, la energía interna del agua aumenta. Cabe destacar que el aumento de la energía interna no indica un aumento de la temperatura, sino una transformación energética del sistema.

• En la reacción de formación del agua, ¿la energía interna del sistema (el agua) es mayor o menor que la suma de la energía interna de los reactivos (gases de hidrógeno y oxígeno)?

  • La energía interna del sistema (el agua) es menor que la suma de las energías internas de los reactivos, ya que la reacción química libera energía para el sistema en forma de calor. Esto se conoce como una reacción exotérmica, donde la energía se libera al ambiente.

Resumen Detallado

Puntos Relevantes

• Naturaleza de la Energía Interna (U): Conceptuada como la energía total de un sistema que abarca la suma de las energías cinéticas y potenciales de todas las partículas que lo componen. Es una propiedad del sistema, por lo que solo importan las diferencias entre sus valores.

• Medición de la Energía Interna (U): Expresada en joules (J), cuyos múltiplos se utilizan frecuentemente, como la caloría (1 cal = 4,184 J) o el kilojulio (1 kJ = 1000 J).

• Cálculo de la Variación de la Energía Interna (ΔU): El cambio en la energía interna de un sistema se da por la suma del calor (Q) transferido al sistema y el trabajo (W) realizado sobre o por el sistema, de acuerdo con la ecuación ΔU = Q + W.

• Diferencia entre Calor (Q) y Trabajo (W): El calor es la energía transferida entre un sistema y su entorno debido a una diferencia de temperatura, mientras que el trabajo es la energía transferida que no se debe a una diferencia de temperatura (por ejemplo, a través de fuerzas externas).

• Ley de Conservación de la Energía: Enfatiza que la energía total de un sistema aislado permanece constante, es decir, no se crea ni se destruye, solo se transforma.

• Sistema y Vecindad: Estos conceptos ayudan a delimitar el estudio de los procesos químicos. La vecindad incluye todo lo que está fuera del sistema, siendo la frontera la superficie que divide el sistema y la vecindad.

• Reacciones Químicas y Energía Interna: El ejemplo práctico de la formación del agua, una reacción exotérmica, ilustra cómo la energía interna del sistema la hace ser menor que la suma de las energías internas de los reactivos.

Conclusiones

• Entendemos que la Energía Interna (U) es un concepto crucial para la Termoquímica, ya que proporciona una visión profunda de las transformaciones energéticas que ocurren en un sistema.

• A través de la Ley de Conservación de la Energía, aprendemos que la energía total de un sistema aislado (incluyendo la energía interna) permanece constante, reforzando la idea de que la energía no puede ser destruida ni creada, solo transformada.

• La habilidad de calcular la Variación de la Energía Interna (ΔU) usando la ecuación ΔU = Q + W es una herramienta fundamental en el análisis de procesos químicos y físicos.

Ejercicios Propuestos

1. Para una reacción química: A + B ⟶ C, sabemos que la variación de energía interna es -150 kJ. Si el sistema absorbió 100 kJ de calor, ¿cuál fue el trabajo (W) realizado en el sistema?

2. En un experimento, un recipiente cerrado contiene un gas que se calienta y recibe 1500 J de calor de la vecindad y realiza 500 J de trabajo. Si la energía interna del gas inicialmente era de 4500 J, ¿cuál es la energía interna del gas después del proceso?

3. Explique la diferencia entre calor y trabajo en el contexto de la energía interna. Dé un ejemplo de cada uno en un sistema químico.