La energía interna U de un sistema termodinámico es la energía almacenada en el mismo. Esta puede ser debida al movimiento de las partículas que lo constituyen (en forma de energía cinética) y/o a las interacciones entre las mismas. En general depende de las variables termodinámicas que describen el estado del sistema (p, V, T).
Como es una propiedad de los sistemas termodinámicos, la energía interna es una función de estado: su variación depende únicamente de los estados inicial y final del sistema termodinámico y no del tipo de transformación que experimentó para pasar del estado inicial al final. La energía interna es una magnitud extensiva.
En la siguiente figura se han representado en un diagrama p-V dos transformaciones diferentes (una reversible, en azul y otra irreversible, en rojo) que llevan a un sistema termodinámico desde un cierto estado de equilibrio A (a temperatura TA) hasta otro estado B (a temperatura TB). Como la energía interna es una función de estado, su variación será la misma para las dos transformaciones.
La unidad de energía interna en el Sistema Internacional es el julio (J).
La variación de energía interna en una transformación cíclica es cero. Independientemente del tipo de transformación, de si esta es reversible o irreversible y de la sustancia que la experimenta.
Energía interna de un gas ideal
Un gas ideal es un modelo teórico de gas cuya ecuación de estado se deduce suponiendo que las partículas que lo constituyen no tienen volumen y que no existen interacciones entre ellas.
Puede demostrarse que la energía interna de un gas ideal depende únicamente de la temperatura; no depende de la presión ni del volumen ocupado por el gas. Este hecho fue demostrado experimentalmente por Joule. Como en el modelo de gas ideal se desprecian las interacciones entre las partículas que lo constituyen, lo único que pueden hacer es moverse chocando entre ellas. Pero como las colisiones son elásticas, no pierden energía durante las mismas. Por tanto la única energía que tienen es cinética. Y la temperatura es precisamente una medida de la energía cinética media que posee un sistema de partículas.
La variación de energía interna que experimenta un gas ideal cuando pasa de un estado inicial A a uno final B viene dada por:
Donde CV es la capacidad calorífica molar a volumen constante de un gas ideal.
Para demostrarlo, supongamos que n moles de un gas ideal experimentan la transformación isócora AB representada en la figura siguiente. En ella están representadas también las isotermas del gas ideal (hipérbolas) correspondientes a las temperaturas inicial y final.
El calor intercambiado por el gas ideal cuando pasa del estado A al B viene dado por:
El trabajo realizado por el gas al pasar del estado A al B es nulo, puesto que no hay variación de volumen durante la transformación.
Y aplicando el primer principio de la Termodinámica:
Y como la energía interna es una función de estado, cuando un gas ideal pase de estar a una temperatura TA a una temperatura TB su variación de energía interna será la misma con independencia de la transformación que haya experimentado, sea reversible o irreversible.
A lo largo de todas las transformaciones representadas en la figura anterior el gas ideal experimenta la misma variación de energía interna.
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