7/17/2019 Primera Ley de La Termodinámica

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Primera ley de la termodinámica[editar ]

 Artículo principal: Primera ley de la termodinámica

También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica,

establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro,

la energía interna del sistema cambiará

!isto de otra "orma, esta ley permite de"inir el calor como la energía necesaria que debe

intercambiar el sistema para compensar las di"erencias entre trabajo y energía interna #ue

propuesta por $icolas %éonard &adi 'arnot en ()*+, en su obra Reflexiones sobre la

 potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia,

en la que epuso los dos primeros principios de la termodinámica -sta obra "ue

incomprendida por los cientí"icos de su época, y más tarde "ue utilizada por .udol"

'lausius y %ord /elvin para "ormular, de una manera matemática, las bases de la

termodinámica

%a ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente0

1ue aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico,

queda de la "orma0

2onde 3 es la energía interna del sistema 4aislado5, 1 es la cantidad de calor aportado al

sistema y 6 es el trabajo realizado por el sistema

-sta 7ltima epresión es igual de "recuente encontrarla en la "orma ∆U = Q + W 8mbas

epresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su di"erencia está en que se

aplique el convenio de signos 93P8' o el Tradicional 4véase criterio de signos

termodinámico5

-l calor  se de"ine como la trans"erencia de energía térmica que se da entre

di"erentes cuerpos o di"erentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a

distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor

signi"ica simplemente trans"erencia de energía -ste "lujo de energía siempre ocurre desde

el cuerpo de mayor temperatura :acia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo latrans"erencia :asta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico 4ejemplo0 una

bebida "ría dejada en una :abitación se entibia5

Definición termodinámica de trabajo.  3n sistema realiza trabajo durante un proceso si el7nico e"ecto en el medio eterior pudiese ser ellevantamiento de un peso -jm0 un sistema "ormado poruna batería y un motor -n los límites del sistema se

observa el trabajo entregado por el motor a la rueda depaletas &i se sustituye la rueda de paletas por un conjunto

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de peso;polea, el 7nico e"ecto eterno a la "rontera delsistema será el levantamiento de un peso, #igura ** 

#ig ** 9lustración del trabajo de la rueda de paletas

TRABA! D" U# $%$T"&A

  'onsideremos un arreglo cilindro;pistón queencierra una cierta masa de gas que ejerce presión sobrela cara del pistón de super"icie 8 &i el pistón se desplaza:acia la izquierda debido a la aplicación de una "uerza #eterna se dirá que los alrededores ejercen trabajo sobre elgas y su valor in"initesimal será0

2iciéndose en este caso que el gas :a sido comprimido#igura *<

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#ig *< Trabajo mecánico que se asocia con el movimientode la "rontera de un dispositivo cilindro;pistón

-l trabajo se puede epresar como0

 

-l trabajo total se calcula como0

 

Para lo cual se :ace preciso el conocimiento de la "unción P = P4!5 que relacione la presión con el volumen a lo largode todo el proceso de interacción

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#ig *+ -l trabajo de la "rontera realizado durante unproceso depende de la trayectoria seguida y de los estados

etremos

  %os estados de equilibrio ( y * pueden conectarse porcurvas di"erentes que representan a su veztrans"ormaciones distintas -n la #igura *+ se puedenvisualizar des trayectorias di"erentes que conectan losestados de equilibrio ( y * 'omo las super"iciesencerradas por cada una de las líneas son di"erentesentonces también lo serán los trabajos termodinámicoscorrespondientes -sto comprueba que el trabajo no es"unción de estado sino de trayectoria por lo que su

di"erencial se representa como δ 6 4di"erencial ineacta5 en

lugar de d6

'A(!R

  -s la "orma de energía que se transmite a travésdel límite de un sistema que está a una temperatura a otrosistema 4o al medio eterior5 a una temperatura mas bajadebido a la di"erencia de temperatura entre los dossistemas

  -l calor es una "unción de trayectoria y sudi"erencial es ineacta, luego

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%a cantidad de calor transmitida cuando el sistemaqueda sometido a un cambio de estado del estado ( alestado *, depende de la trayectoria que siga el sistemadurante el cambio de estado

'!&PARA'%!# "#TR" 'A(!R ) TRABA!

'alor y trabajo son, ambos, "enómenos transitorios %ossistemas nunca tienen calor o trabajo, pero cualquiera oambos cruzan los límites del sistema, cuando éste su"re uncambio de estado

 8mbos, calor y trabajo, son "enómenos de límite 8mbos seobservan solamente en los límites del sistema y ambosrepresentan la energía que cruza el límite del sistema

 8mbos, calor y trabajo, son "unciones de trayectoria ydi"erenciales ineactasPor convección >1 representa calor trans"erido al sistemay, que por tanto, es energía a?adida en él, y >6 representatrabajo e"ectuado por el sistema y esto representa energíaque sale de él

 

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#ig *@ 9lustración para indicar di"erencia entre calor ytrabajo

  -n la #igura *@ a5, la energía cruza los límites delsistema porque la temperatura de las paredes es mayorque la temperatura del gas -l calor cruza los límites delsistema -n la #igura *@ b5, la electricidad cruza los límitesdel sistema -l trabajo cruza los límites del sistema

%a ener*a libre termodinámica es la cantidad de trabajo que un sistema

termodinámico puede realizar -l concepto es 7til en la termodinámica de procesos

químicos o térmicos en la ingeniería y en la ciencia %a energía libre es la energía

interna de un sistema, menos la cantidad de energía que no puede ser utilizada para

realizar trabajo -sta energía no utilizable está dada por la entropía de un sistema

multiplicada por la temperatura absoluta del sistema

 8l igual que la energía interna, la energía libre es una "unción de estado termodinámica

-n termodinámica se designa como ,roce-o adiabático a aquél en el cual

el sistema 4generalmente, un "luido que realiza un trabajo5 no intercambia calor  con su

entorno 3n proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso

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isoentrópico -l etremo opuesto, en el que tiene lugar la máima trans"erencia de calor,

causando que latemperatura permanezca constante, se denomina proceso isotérmico

-l término adiabático :ace re"erencia a elementos que impiden la trans"erencia

de calor  con el entorno 3na pared aislada se aproima bastante a un límite adiabáticoAtro ejemplo es la temperatura adiabática de llama, que es la temperatura que podría

alcanzar una llama si no :ubiera pérdida de calor :acia el entorno -n climatización los

procesos de :umectación 4aporte de vapor de agua5 son adiabáticos, puesto que no :ay

trans"erencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperatura del aire y su :umedad

relativa

3n -i-tema cerrado es un sistema "ísico 4o químico5 que no interact7a con otros agentes

"ísicos situados "uera de él y por tanto no está conectado casualmente ni

correlacionalmente con nada eterno a él

3na propiedad importante de los sistemas cerrados es que las ecuaciones de evolución

temporal, llamadas ecuaciones del movimiento de dic:o sistema sólo dependen de

variables y "actores contenidas en el sistema Para un sistema de ese tipo por ejemplo la

elección del origen de tiempos es arbitraria y por tanto las ecuaciones de evolución

temporal son invariantes respecto a las traslaciones temporales -so 7ltimo implica que

la energía total de dic:o sistema se conservaB de :ec:o, un sistema cerrado al estar

aislado no puede intercambiar energía con nada eterno a él