Primera ley de la termodinámica (I)
Introducción
Te felicito por continuar en esta onceava clase digital. En esta clase revisaremos una rama de la Física, la Termodinámica, la cual estudia las relaciones y el intercambio entre las diferentes formas de energía en un sistema macroscópico. Es una ciencia empírica (fenomenológica y experimental), la cual se desarrolló como una tecnología mucho antes de convertirse en ciencia.
En la Revolución Industrial, que condujo a la sociedad actual, la termodinámica jugó un papel muy importante en la energía calorífica y su conversión a trabajo.
En la presente clase se tendrá una introducción a los conceptos fundamentales de la Termodinámica que permitan la resolución de problemas de aplicación. En la clase digital siguiente se aplicarán los conceptos aprendidos para estudiar los diferentes procesos termodinámicos.
Desarrollo del tema
Para iniciar esta clase virtual te invito a ver el siguiente video:
Termodinámica
Es la rama de la física dedicada al estudio de las transformaciones de la energía térmica en otras formas de energía y viceversa. Se basa en cuatro postulados absolutos o universales llamados los Cuatro Principios de la «Termodinámica».
- Principio cero: Dos cuerpos en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio entre sí.
- Primer principio: Conservación de la energía.
- Segundo principio: Entropía.
- Tercer principio: Es imposible alcanzar el cero absoluto de temperatura.
Sistema termodinámico
Un Sistema termodinámico es la porción macroscópica de materia (sólido, líquido o gas) compuesta por muchos átomos o moléculas. La figura muestra los componentes de un sistema termodinámico.
Existen tres tipos de sistemas termodinámicos definidos a partir del tipo de frontera termodinámica que poseen. Los principales sistemas termodinámicos son el Sistema Termodinámico Abierto, el Sistema Termodinámico Cerrado y el Sistema Termodinámico Aislado, la figura los ejemplifica.
Variables de estado termodinámicas
A las magnitudes que se emplean para describir el estado de un sistema termodinámico se les llama variables de estado termodinámicas. Las variables más comunes que presenta un estado termodinámico se muestran en la figura.
Las variables de estado se relacionan mediante la fórmula de la Ley General de los Gases Ideales, suponiendo que el sistema estuviera formado por un gas ideal.
PV = nRT
En donde R se conoce como constante universal de los gases ideales.
Estado termodinámico
Un estado termodinámico se define como aquel estado del sistema que queda totalmente establecido por sus propiedades observables (variables de estado).
Cambios de Estado
Los sistemas pueden cambiar de un estado de equilibrio a otro. Este cambio recibe el nombre de proceso termodinámico. Los cambios en los estados de equilibrio son independientes del tiempo en los que éstos se realicen, pueden ser cambios muy rápidos o muy lentos, eso no importa, lo que importa en sí es el cambio de estado de equilibrio del sistema.
Energía interna ΔU
La Energía Interna de un sistema es la suma de las energías cinéticas (energía de traslación, rotación o vibración) y potenciales (energías de interacción) de los átomos o moléculas que lo forman.
La Energía Interna del sistema se calcula por medio de las fórmulas siguientes:
Para un Gas Monoatómico:
Para un Gas Diatómico:
Trabajo Termodinámico a presión constante
El Trabajo realizado por un sistema sobre los alrededores depende del tipo de proceso al que se somete el sistema. Este trabajo es de tipo mecánico y se considera positivo si el sistema hace trabajo sobre los alrededores (expansión). Si los alrededores hacen trabajo sobre el sistema, entonces se considera un trabajo negativo (compresión).
En estas circunstancias, W = F·Δy. Ahora bien, como F = P·A, entonces W = P·A·Δy. El Producto del área y el desplazamiento, A ·Δy, es el incremento de volumen ΔV del sistema al pasar del estado inicial al estado final por lo que, entonces, el trabajo es W = P·ΔV.
El trabajo realizado durante un proceso termodinámico a presión constante queda definido en la siguiente ecuación:
W = P•ΔV = P( V2 – V1 )
Primera Ley de la Termodinámica
La Primera Ley de la Termodinámica representa el concepto más completo de la Conservación de la Energía, incluye todas las formas de energía, ya que todas ellas están ligadas y tienden a convertirse a la forma más común de energía: El calor.
La ecuación de la Primera Ley de la Termodinámica es la siguiente:
ΔQ = ΔU + W
La cual expresa que “La cantidad de Calor absorbido (ΔQ) por un sistema, es igual al incremento en la Energía Interna (ΔU) del sistema más el Trabajo (W) realizado por el sistema sobre los alrededores”.
Al respecto, existen algunos comentarios a tener en cuenta por parte del lector. Estos son:
- El sistema termodinámico considerado en este estudio es un gas (ideal).
- Un calor Q positivo indica que el calor viene del ambiente y fluye hacia el sistema (el sistema se calienta).
- Un calor Q negativo indica que el calor sale del sistema hacia el ambiente (el sistema se enfría).
- Un trabajo W positivo indica que el gas se expande y se manifiesta en que el pistón se levanta (el gas hace trabajo sobre el pistón y sale del sistema).
- Un trabajo W negativo indica que el gas se contrae y se manifiesta en que el pistón presiona más al gas (el pistón hace trabajo sobre el gas y entra al sistema).
- ΔU se define como la variación de la energía interna (desde su estado inicial hasta su estado final) del sistema.
Te invito a revisar el siguiente vídeo:
Conclusión
Las aplicaciones sobre la Primera Ley de la Termodinámica fueron previas al estudio teórico de esta misma, lo que ocasiona que sea considerada como una ciencia totalmente experimental.
En ella se estudia el hecho de que los sistemas están compuestos por átomos y partículas, cuya suma de sus energías cinéticas y potenciales aumenta o disminuye; y, dependiendo si al sistema se le calienta o se le enfría, ocasionará que el sistema termodinámico (el gas ideal) se expanda o se contraiga. Este fenómeno se encuentra en total acuerdo con una de las máximas de la Física, es decir, con la Ley de la Conservación de la Energía.
En el siguiente bloque se continuará con el estudio de esta Primera Ley de la Termodinámica, de acuerdo a los diferentes procesos termodinámicos que ocurren en la naturaleza.