Primera Ley de la Termodinámica

Primera ley de la termodinámica.

La energía se conserva en todo proceso si se toma en cuenta el calor, entendiendo por proceso el mecanismo mediante el cual un sistema cambia sus variables o propiedades termodinámicas. La fórmula de la primera ley de la termodinámica es la siguiente:

Imagen 1. Primera ley de la termodinámica.

Esta ecuación contiene tres ideas afines:

La existencia de una función de energía interna

El principio de conservación de la energía

La definición de calor como energía de tránsito. 

Calor como una forma de transferir energía

El calor al igual que el trabajo, se considera en termodinámica como energía en tránsito a través de la frontera que separa a un sistema de su entorno, sin embargo a diferencia del trabajo, la transferencia de calor se origina por una diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno, además el simple contacto es el requerimiento para que el calor sea transferido por conducción.

Imagen 2. Transferencia de calor.

Energía interna de un sistema termodinámico 

De acuerdo a los resultados obtenidos por Joule, para un sistema aislado del exterior y a los que se les suministra la misma cantidad de energía mecánica de manera diferente, el cambio observado en el sistema es el mismo, este  cambio se debió a la variación de temperatura del sistema. Además estos sistemas no están en movimiento, su energía cinética es cero, no se desplaza con respecto al nivel del suelo, su energía potencial es constante y sin embargo el sistema ha absorbido una cierta cantidad de energía y esta energía se le llama energía interna del sistema. 

En términos generales se tiene que cualquiera sistema aislado, le suministra cierta cantidad de energía mecánica W, provoca un incremento en la energía interna del sistema U, por la cantidad U de manera que:

A que se refiere el enunciado de la Primera Ley de la Termodinámica 

Que la energía interna de un sistema se conserva siempre y cuando se tome en cuenta el calor suministrado en el mismo, aunque sufra un cambio en sus propiedades termodinámicas.

Aplicaciones de la Primera Ley de la Termodinámica

Las aplicaciones que tiene la primera ley de la termodinámica son:  la Capacidad Calorífica, Energía Interna de los Gases, Concepto del Gas Perfecto y en el Ciclo de Carnot.

Capacidad Calorífica 

Esta nos indica la cantidad de energía que se requiere para elevar la temperatura de una masa dada de una sustancia en una cantidad varía de una sustancia a otra. y se obtiene con la siguiente manera:

 Desde la perspectiva de la primera ley de la termodinámica.

Proceso infinitesimal.

Proceso es reversible y se puede relacionar con las variables de estado del sistema a través de esta ecuación.

 Esta ecuación permite calcular la cantidad de calor absorbida o cedida por un sistema termodinámico cuando este sufre un proceso cuasi estático que cambia la energía interna del sistema por dU y sus variable extensiva por dY.

Energía interna de los Gases 

Se obtiene de acuerdo a la definición de la capacidad calorífica y para calcularla es necesario conocer, la ecuación de estado involucrada en el cálculo de W, la ecuación que relacione la energía interna del sistema con las variables independientes escogidas para representar sus estados de equilibrio.

Sucede cuando la energía interna de un gas ideal con respecto a un cambio de volumen se realiza a temperatura constante es igual a cero, es decir , si en la expansión libre no hay un cambio en la temperatura, entonces la energía interna es independiente del volumen y la presión y en consecuencia la función se representa de la siguiente manera:

Imagen 3.Inteior de un gas.

Ciclo de Carnot

Una de las aplicaciones más interesantes de la primera ley de la termodinámica es el estudio de los ciclos. La compresión de su funcionamiento hizo posible el desarrollo de las máquinas térmicas, que a su vez, forman parte de dispositivos de transporte y de la industria. Fue el científico N. Sadi Carnot (1826) en ocuparse del estudio de los ciclos, en su honor  tienen el nombre de ciclos de Carnot, que de acuerdo a sus experimentaciones actúa trabajo con la mayor eficiencia. El ciclo de Carnot es un proceso que hace que un sistema cualquiera, gas, líquido, sólido, radiación electromagnética, etc, por una sucesión de procesos reversibles.

Imagen 4. Ciclo de Carnot.

Bibliografía

UNET.  Ciclo de Carnot. (2005). Segunda ley de la termodinámica. Recuperado de http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-75.htm