Primera ley de la termodinámica (II)
Introducción
¡Vas por muy buen camino! Veamos ahora en esta doceava clase el entendimiento de la ecuación que representa la Primera Ley de la Termodinámica.
En esta clase digital se analizarán los diferentes procesos termodinámicos, además de plantear la ecuación de la Primera Ley de la Termodinámica de acuerdo con las condiciones iniciales de cada proceso. Recuerda los conceptos de calor y energía interna vistos en la clase anterior, los cuales se van a aplicar en los problemas junto con la ecuación de la Primera Ley de la Termodinámica.
¡Sigue trabajando con entusiasmo!
Desarrollo del tema
Diagrama PV
En las imágenes 5 y 6 de la clase virtual once, el gas realiza trabajo (o se efectúa trabajo sobre él) siempre que cambie su volumen, sin importar el proceso.
Cualquier punto [(x,y) = (V,P)] representa un estado termodinámico (con la Ley del Gas Ideal se puede obtener el valor de la Temperatura); la línea que une los puntos A y B y los puntos B y C se llama proceso termodinámico, la flecha indica el sentido en que se realiza el proceso.
Las líneas verticales indican un proceso a volumen constante, mientras que las horizontales indican un proceso a presión constante. En un diagrama P vs V, el área bajo las líneas de los procesos representa el trabajo termodinámico W realizado por el sistema.
Cuando un gas experimenta más de una transformación, el trabajo total es la suma del trabajo (con su signo) realizado por el gas en cada una de ellas.
Procesos Termodinámicos
A continuación, analizaremos los siguientes procesos termodinámicos: Isobárico, Isocórico, Isotérmico y Adiabático.
- Proceso Isobárico.
Es el proceso termodinámico realizado a presión constante.
Un gas ideal absorbe calor y, como consecuencia, se expande desde un estado inicial a uno final, controlando la presión para que esté en equilibrio con el exterior y permanezca constante. Parte del calor absorbido se transforma en trabajo realizado por el gas y el resto se invierte en aumentar la energía interna.
Las ecuaciones para el proceso isobárico son las siguientes:
- Proceso Isocórico.
Es el proceso termodinámico realizado a volumen constante.
Imaginemos una cierta cantidad de gas encerrado en un recipiente de paredes fijas al que se le suministra calor, por lo que el gas aumenta su temperatura y presión manteniendo su volumen constante. Como el volumen permanece constante no hay generación de trabajo. Por tratarse de calor absorbido (Q>0) el gas aumenta de temperatura. En la transformación inversa, el gas se enfría cediendo calor al exterior disminuyendo su presión.
Las ecuaciones para el proceso isocórico son las siguientes:
- Proceso Isotérmico.
Es el proceso termodinámico realizado a temperatura constante.
Un gas ideal absorbe calor de un foco térmico que se encuentra a una temperatura To y como consecuencia, se expande desde un estado inicial a uno final. Al no existir cambio en la temperatura, no existe incremento en la energía interna del sistema, es decir, ΔU = 0. La curva del proceso isotérmico obedece a la ecuación del gas ideal, la cual es una hipérbola y es llamada isoterma.
Las ecuaciones para el proceso isotérmico son las siguientes:
- Proceso Adiabático.
Es el proceso termodinámico que se realiza sin incrementos de calor (ΔQ = 0). En este proceso no hay incrementos de calor por lo que el trabajo realizado se hace a expensas de la energía interna ΔU del sistema disminuyéndola.
Las ecuaciones para el proceso adiabático son las siguientes:
La curva del proceso adiabático corresponde a la ecuación:
en donde gamma es una constante que se define como la razón entre el calor específico del gas a presión constante (CP) y el calor específico del gas a volumen constante (CV).
Conclusión
El entendimiento de la ecuación de la Primera Ley de la Termodinámica destaca su aplicación en cuatro procesos termodinámicos, en los cuales, dependiendo de sus condiciones iniciales, la ecuación de la Primera Ley de la Termodinámica se modifica.
El estudio de la Primera Ley de la Termodinámica se simplifica usando como sistema termodinámico el gas ideal. Sin embargo, la Primera Ley de la Termodinámica, así como las demás leyes de la termodinámica, aplican para cualquier sistema termodinámico sin importar su estado de agregación.