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À propos de cette activité

La primera ley de la termonidamica

Créé par

Yordi Lorenzo Gonzalez
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Mexico

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La primera ley de la termonidamica

par Yordi Lorenzo Gonzalez
1

Primera ley termodiamica

La primera ley de la termodinámica afirma que cualquier cambio experimentado por la energía de un sistema proviene del trabajo mecánico realizado, más el calor intercambiado con el entorno. Sea que estén en reposo o en movimiento, los objetos (sistemas) poseen energías diversas, que se pueden transformar de una a otra clase mediante algún tipo de proceso.

  • La primera es que el sistema intercambie calor con el entorno. Esto ocurre cuando existe una diferencia de temperatura entre ambos. Entonces el que esté más caliente cede calor –una forma de transferir energía– al más frío, hasta que ambas temperaturas se igualan, llegando al equilibrio térmico.
  • Mediante la realización de un trabajo, ya sea que el sistema lo lleve a cabo, o que un agente externo lo haga sobre el sistema.
  • Añadiendo masa al sistema (la masa equivale a la energía).

Sea U la energía interna, el balance sería ΔU = U final – U inicial, por lo que es conveniente asignar signos, que de acuerdo al criterio IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) son:


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Primera ley termodiamica

Fórmulas y ecuaciones de la primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica es otra manera de afirmar que la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma de un tipo a otro. Al hacerlo se habrá producido calor y trabajo, que pueden ser aprovechados. Matemáticamente se expresa de la siguiente forma:

ΔU = Q + W

Donde:

– ΔU es el cambio en la energía del sistema dado por: ΔU = Energía final – Energía inicial = Uf – Uo

– Q es el intercambio de calor entre el sistema y el entorno.

– W es el trabajo efectuado sobre el sistema.

En algunos textos la primera ley de la termodinámica se presenta así:

ΔU = Q – W

Esto no significa que se contradigan o exista algún error. Se debe a que se definió al trabajo W como el trabajo realizado por el sistema en lugar de usar el trabajo hecho sobre el sistema, como en el enfoque de la IUPAC.

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Primera ley termodiamica

Observaciones importantes acerca de la primera ley de la termodinámica

Tanto el calor como el trabajo son dos formas de transferir energía entre el sistema y su entorno. Todas las cantidades involucradas tienen como unidad en el Sistema Internacional el julio o joule, abreviado J.

La primera ley de la termodinámica ofrece información acerca del cambio de la energía, no de los valores absolutos de la energía final ni de la inicial. Incluso alguno de ellos podría tomarse como 0, porque lo que cuenta es la diferencia de valores.

Otra conclusión importante es que todo sistema aislado tiene ΔU = 0, ya que está imposibilitado de intercambiar calor con el entorno, y a ningún agente externo se le permite realizar trabajo sobre él, entonces la energía permanece constante. Un termo para mantener caliente el café es una aproximación razonable.

¿Entonces en un sistema no aislado ΔU siempre es distinto de 0? No necesariamente, ΔU puede ser 0 si sus variables, que usualmente son presión, temperatura, volumen y número de moles, pasan por un ciclo en el cual sus valores iniciales y finales son los mismos.


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Primera ley termodiamica

Procesos isobáricos

En estos procesos la presión se mantiene constante. El trabajo realizado por el sistema se debe al cambio en el volumen.

Puede servirte:   Durómetro: para qué sirve, cómo funciona, partes, tipos

Supongamos un gas confinado en un recipiente. Puesto que el trabajo W se define como:

W = Fuerza x desplazamiento = F.Δl (válido para una fuerza constante paralela al desplazamiento).

Y a su vez la presión es:

p = F /A ⇒ F =p.A

Al sustituir esta fuerza en la expresión del trabajo, resulta:

W = p. A. Δl

Pero el producto A. Δl equivale al cambio de volumen ΔV, quedando el trabajo así:

W = p ΔV.

Para un proceso isobárico, la primera ley adopta la forma:

ΔU = Q – p ΔV


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Primera ley termodiamica

Procesos isotérmicos

Son los que transcurren a temperatura constante. Esto puede tener lugar poniendo en contacto al sistema con un depósito térmico externo y haciendo que el intercambio de calor se lleve a cabo muy lentamente, de forma tal que la temperatura sea constante.

Por ejemplo, el calor puede fluir de un depósito caliente al sistema, permitiendo al sistema hacer trabajo, sin que haya variación en ΔU. Entonces:

Q + W = 0


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Primera ley termodiamica

Procesos adiabáticos

En el proceso adiabático no hay transferencia de energía térmica, por lo tanto Q = 0 y la primera ley se reduce a ΔU = W. Esta situación se puede dar en sistemas bien aislados y significa que el cambio de energía proviene del trabajo que se haya hecho sobre él, según la convención de signos vigente (IUPAC).

Podría pensarse que al no haber transferencia de energía térmica la temperatura va a permanecer constante, pero no siempre es así. Sorprendentemente, la compresión de un gas aislado resulta en un aumento de su temperatura, mientras que en la expansión adiabática la temperatura disminuye.

Procesos en trayectoria cerrada y expansión libre

En un proceso en trayectoria cerrada, el sistema retorna al mismo estado que tenía al comienzo, sin importar lo que sucedió en los puntos intermedios. Estos procesos fueron mencionados antes al hablar de los sistemas no aislados.

En ellos ΔU = 0 y por lo tanto Q = W o Q = -W según el criterio de signos que se adopte.

Los procesos en trayectoria cerrada son muy importantes porque constituyen el fundamento de las máquinas térmicas tales como la máquina de vapor.

Finalmente, la expansión libre es una idealización que se lleva a cabo en un recipiente aislado térmicamente que contiene un gas. El recipiente tiene dos compartimientos separados por un tabique o membrana y el gas está en uno de ellos.

El volumen del recipiente aumenta súbitamente si se rompe la membrana y el gas se expande, pero el recipiente no contiene un pistón ni algún otro objeto que mover. Entonces el gas no hace trabajo mientras se expande y W = 0. Por estar aislado térmicamente Q = 0 y de inmediato se concluye que ΔU = 0.

Por lo tanto, la expansión libre no origina cambios en la energía del gas, pero paradójicamente mientras se expande no está en equilibrio.


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Primera ley termodiamica

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Primera ley termodiamica

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Primera ley termodiamica

Conservación de la energíaLa primera ley de la termodinámica es un principio que refleja la conservación de la energía1. Esta ley establece que la energía total de un sistema aislado ni se crea ni se destruye, permanece constante1. La energía sólo se transforma de un tipo a otro1. La ley también relaciona la energía interna del sistema con la energía que intercambia con el entorno en forma de calor o trabajo2. La energía interna de un sistema aumenta cuando se le transfiere calor o se realiza un trabajo sobre él2.
 
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