Termodinamica

Comencemos con una propiedad de llamada Energía. El término energía tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para realizar trabajo, transformar, poner en movimiento.

Todos los cuerpos, pueden poseer energía debido a su movimiento, a su composición química, a su posición, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades.

Es muy difícil dar una definición concreta y contundente de energía, ya que la energía no es un ente físico real, ni una "sustancia intangible" sino sólo un número escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas. Podemos medir las interacciones en el cambio de energía de un sistema, como su velocidad, su temperatura, su carga eléctrica. Debe quedar claro que la energía es una propiedad y sus diferentes manifestaciones es lo que comúnmente llamamos diferentes formas de energía. Es un error, tal vez con poca importancia pero muy recurrente, hablar de energías, como ejemplo Energías Renovables, ya que sólo existe el concepto energía (de manera singular) lo correcto será Fuentes Renovables de Energía.

El uso de la magnitud energía en términos prácticos se justifica porque es mucho más fácil trabajar con magnitudes escalares, como lo es la energía, que con magnitudes vectoriales como la velocidad y la posición. Así, se puede describir completamente la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial y de otros tipos de sus componentes.

En la práctica, en las situaciones no-relativistas, se tiende, en primera aproximación (normalmente muy buena), a descomponer la energía total en una suma de términos que se llaman las diferentes formas de la energía.

La energía potencial y la energía cinética son dos elementos a considerar, tanto en la mecánica como en la termodinámica. Estas formas de energía se originan por la posición y el movimiento de un sistema en conjunto, y se conocen como la energía externa del sistema. Sin duda, un tema muy importante en la termodinámica es analizar la energía interior de la materia, energía asociada con el estado interno de un sistema que se llama energía interna. Cuando se especifica un número suficiente de coordenadas termodinámicas, como por ejemplo, temperatura y presión, se determina el estado interno de un sistema y se fija su energía interna [1].

En general (para un sistema no-relativista), la energía total, $ E_{T}$ , de un sistema puede descomponerse en la energía inherente de la masa $ E_{m}$, la energía cinética $ E_{k}$, la energía potencial $ E_{p}$, y la energía interna $ U$, esto es,

$\displaystyle E_{T}=E_{m}+E_{k}+E_{p}+U%

$ (15)

donde:

$\displaystyle E_{m}=mc^{2}%

$ (16)

$\displaystyle E_{k}=\frac{1}{2}mv^{2}%

$ (17)

la energía potencial $ E_{p}$ depende de los campos externos a los que está sometido el sistema y está dada como función de la posición. La energía interna $ U$ que considera la energía de las partículas que constituyen el sistema y sus interacciones a corta distancia. En realidad, esta descomposición permite distinguir entre las formas de energía mecánica ($ E_{m},$ $ E_{k}$ y $ Ep$) y una forma de energía termodinámica ($ U$) que tiene sentido para un sistema estadístico constituido por un gran número de partículas.

El cambio de energía total del sistema puede descomponerse en

$\displaystyle \Delta E=\Delta E_{k}+\Delta E_{p}+\Delta U%

$ (18)

donde $ \Delta E_{k}$ y $ \Delta E_{p}$ representan el cambio de su energía externa (cinética y potencial respectivamente), y $ \Delta U$ representa el cambio de su energía interna, dada por la energía cinética y potencial de las moléculas, átomos y partículas subatómicas que constituyen el sistema.[1].

Como se indicó, la energía interna de un sistema $ U$, tiene la forma de energía cinética y potencial de las moléculas, átomos y partículas subatómicas que constituyen el sistema, es decir,

$\displaystyle U=E_{kint}+E_{pint}%

$ (19)

donde la energía cinética interna es la suma de la energía cinética de todas las partículas del sistema,

$\displaystyle E_{kint}=<tex2html_comment_mark>377 {\displaystyle\sum\nolimits_{j}} \frac{1}{2}m_{j}v_{j}^{2}%

$ (20)

y la energía potencial interna es la suma de la energía potencial debida a la interacción de todas las partículas entre si,

$\displaystyle E_{pint}=<tex2html_comment_mark>383 {\displaystyle\sum\nolimits_{ij}} E_{pij}%

$ (21)

Pero qué hay respecto a la medición de la energía. Sólo las diferencias de energía, en lugar de los valores absolutos de energía, tienen significado físico, tanto a nivel atómico como en sistemas macroscópicos. Convencionalmente se adopta algún estado particular de un sistema como estado de referencia, la energía del cual se asigna arbitrariamente a cero. La energía de un sistema en cualquier otro estado, relativa a la energía del sistema en el estado de referencia, se llama la energía termodinámica del sistema en ese estado y se denota por el símbolo $ U$. [6].

Con base en la observación se llega a las siguientes aseveraciones

1. Existe para cada sistema una propiedad llamada energía $ E$. La energía del sistema se puede considerar como la suma de la energía interna $ U$, de energía cinética $ E_{k}$, de energía potencial $ E_{p}$, y de energía química $ E_{ch}$.

a). Así como la

...