1 ley de la termodinmica

El primer principio de la termodinmica o primera ley de la termodinmica,1 se define como:

En un sistema cerrado adiabtico (que no hay intercambio de calor con otros sistemas o su entorno como si estuviera aislado) que evoluciona de un estado inicial \mathcal{A} a otro estado final \mathcal{B}, el trabajo realizado no depende ni del tipo de trabajo ni del proceso seguido.Ms formalmente, este principio se descompone en dos partes;

El principio de la accesibilidad adiabticaEl conjunto de los estados de equilibrio a los que puede acceder un sistema termodinmico cerrado es, adiabticamente, un conjunto simplemente conexo.y un principio de conservacin de la energa:El trabajo de la conexin adiabtica entre dos estados de equilibrio de un sistema cerrado depende exclusivamente de ambos estados conectados.Este enunciado supone formalmente definido el concepto de trabajo termodinmico, y sabido que los sistemas termodinmicos slo pueden interaccionar de tres formas diferentes (interaccin msica, interaccin mecnica e interaccin trmica). En general, el trabajo es una magnitud fsica que no es una variable de estado del sistema, dado que depende del proceso seguido por dicho sistema. Este hecho experimental, por el contrario, muestra que para los sistemas cerrados adiabticos, el trabajo no va a depender del proceso, sino tan solo de los estados inicial y final. En consecuencia, podr ser identificado con la variacin de una nueva variable de estado de dichos sistemas, definida como energa interna.

Se define entonces la energa interna, U, como una variable de estado cuya variacin en un proceso adiabtico es el trabajo intercambiado por el sistema con su entorno:

\Delta U = Q + \ W

Cuando el sistema cerrado evoluciona del estado inicial A al estado final B pero por un proceso no adiabtico, la variacin de la Energa debe ser la misma, sin embargo, ahora, el trabajo intercambiado ser diferente del trabajo adiabtico anterior. La diferencia entre ambos trabajos debe haberse realizado por medio de interaccin trmica. Se define entonces la cantidad de energa trmica intercambiada Q (calor) como:

Q = \Delta U + W\,

Siendo U la energa interna, Q el calor y W el trabajo. Por convenio, Q es positivo si va del ambiente al sistema, o negativo en caso contrario y W, es positivo si es realizado por el sistema y negativo si es realizado sobre el sistema.

Esta definicin suele identificarse con la ley de la conservacin de la energa y, a su vez, identifica el calor como una transferencia de energa. Es por ello que la ley de la conservacin de la energa se utilice, fundamentalmente por simplicidad, como uno de los enunciados de la primera ley de la termodinmica:

La variacin de energa de un sistema termodinmico cerrado es igual a la diferencia entre la cantidad de calor y la cantidad de trabajo intercambiados por el sistema con sus alrededores.En su forma matemtica ms sencilla se puede escribir para cualquier sistema cerrado:Termodinmica

Mquina trmica tpica donde puede observarse la entrada desde una fuente de calor (caldera) a la izquierda y la salida a un disipador de calor (condensador) a la derecha. El trabajo se extrae en este caso mediante una serie de pistones.La termodinmica (del griego o, termo, que significa calor1 y , dnamis, que significa fuerza)2 es la rama de la fsica que describe los estados de equilibrio a nivel macroscpico.3 Constituye una teora fenomenolgica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un mtodo experimental.4 Los estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la energa interna, la entropa, el volumen o la composicin molar del sistema,5 o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presin y el potencial qumico; otras magnitudes, tales como la imanacin, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecnica de los medios continuos en general tambin pueden tratarse por medio de la termodinmica.6

La termodinmica ofrece un aparato formal aplicable nicamente a estados de equilibrio,7 definidos como aquel estado hacia el que todo sistema tiende a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrnsecos y no por influencias externas previamente aplicadas.5 Tales estados terminales de equilibrio son, por definicin, independientes del tiempo, y todo el aparato formal de la termodinmica todas las leyes y variables termodinmicas, se definen de tal modo que podra decirse que un sistema est en equilibrio si sus propiedades pueden describirse consistentemente empleando la teora termodinmica.5 Los estados de equilibrio son necesariamente coherentes con los contornos del sistema y las restricciones a las que est sometido. Por medio de los cambios producidos en estas restricciones (esto es, al retirar limitaciones tales como impedir la expansin del volumen del sistema, impedir el flujo de calor, etc.), el sistema tender a evolucionar de un estado de equilibrio a otro;8 comparando ambos estados de equilibrio, la termodinmica permite estudiar los procesos de intercambio de masa y energa trmica entre sistemas trmicos diferentes.

Como ciencia fenomenolgica, la termodinmica no se ocupa de ofrecer una interpretacin fsica de sus magnitudes. La primera de ellas, la energa interna, se acepta como una manifestacin macroscpica de las leyes de conservacin de la energa a nivel microscpico, que permite caracterizar el estado energtico del sistema macroscpico.9 El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinmicas son los que postulan que la energa puede ser intercambiada entre sistemas en forma de calor o trabajo, y que slo puede hacerse de una determinada manera. Tambin se introduce una magnitud llamada entropa,10 que se define como aquella funcin extensiva de la energa interna, el volumen y la composicin molar que toma valores mximos en equilibrio: el principio de maximizacin de la entropa define el sentido en el que el sistema evoluciona de un estado de equilibrio a otro.11 Es la mecnica estadstica, ntimamente relacionada con la termodinmica, la que ofrece una interpretacin fsica de ambas magnitudes: la energa interna se identifica con la suma de las energas individuales de los tomos y molculas del sistema, y la entropa mide el grado de orden y el estado dinmico de los sistemas, y tiene una conexin muy fuerte con la teora de informacin.12 En la termodinmica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir conceptos como sistema termodinmico y su contorno. Un sistema termodinmico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre s mediante las ecuaciones de estado. stas se pueden combinar para expresar la energa interna y los potenciales termodinmicos, tiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontneos.

Con estas herramientas, la termodinmica describe cmo los sistemas responden a los cambios en su entorno. Esto se puede aplicar a una amplia variedad de ramas de la ciencia y de la ingeniera, tales como motores, cambios de fase, reacciones qumicas, fenmenos de transporte, e incluso agujeros negros.La primera ley de la termodinmica establece que la energa no se crea, ni se destruye, sino que se conserva. Entonces esta ley expresa que, cuando un sistema es sometido a un ciclo termodinmico, el calor cedido por el sistema ser igual al trabajo recibido por el mismo, y viceversa.

Es decir Q = W, en que Q es el calor suministrado por el sistema al medio ambiente y W el trabajo realizado por el medio ambiente al sistema durante el ciclo.

Un ejemplo sencillo seria: Al remover con un taladro el agua contenida en un recipiente, le estamos aplicando trabajo, que es igual al calor que este emite al medio ambiente al calentarse. En este caso, el sistema puede ser el agua, el medio sera el taladro, el aire circundante y todo lo que est fuera del sistema que no sea agua (pues lo que est afuera recibir calor del sistema).La primera ley para un sistema

En este caso, el sistema podra ser el agua contenida en un recipiente, y el medio ambiente todo lo que rodea el recipiente, que serian desde la cocina en donde descansa el recipiente con agua hasta el quemador que le suministra calor, en fin, la atmsfera y todo lo que est fuera del recipiente.

Supongamos que encima de este recipiente colocamos una tapa, nicamente usando su peso. Supongamos adems que al recipiente se le suministra calor del quemador de la cocina que lo contiene. A medida que el agua empieza a hervir, la tapa empieza a moverse cada vez ms rpidamente. El movimiento de la tapa es entonces el desplazamiento que representa el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente.