Primera ley de la termodinámica y energía
Introducción
¡Hola!
Qué gusto poder encontrarte en esta nueva sesión, espero que sigas encontrando fascinante este curso de Termodinámica.
En ese sentido la Termodinámica es una de las áreas de la ciencia cuyo rango de aplicación es muy amplio. Las leyes que la rigen son básicamente cuatro, cuyos nombres se conocen como Primera, Segunda y Tercera Ley de la Termodinámica y Ley Cero de la Termodinámica. Cada una de ellas tiene características propias y todas ellas se abordarán en el curso. En esta tercera sesión se abordarán la Primera Ley de la Termodinámica y la Ley Cero de la Termodinámica.
Las aplicaciones de estas leyes son bastas, en la primera se hace uso de tres variables que resultan muy comunes en Termodinámica, las cuales son: Calor, Trabajo y Energía Interna, mientras que, en la segunda, la temperatura es la principal variable para considerar. La generación de potencia mecánica, térmica y eléctrica, así como la evaluación de sistemas de refrigeración o climatización, son solo algunas de las aplicaciones de la Primera Ley de la Termodinámica; por su parte, las aplicaciones de la Ley Cero de la Termodinámica son, principalmente en el análisis de situaciones en equilibrio.
Te invito a que revises con entusiasmo esta tercera sesión en donde descubrirás, entre otras cosas, la ecuación con la que se identifica la Primera Ley de la Termodinámica y cada uno de sus términos, así como las condiciones para lograr el equilibrio termodinámico.
¡Mucho éxito!
Desarrollo del tema
Las primeras dos leyes de la Termodinámica que se abordarán en el curso son la Ley Cero de la Termodinámica y la Primera Ley de la Termodinámica. Estas dos leyes se refieren, en primera instancia, al equilibrio termodinámico en un sistema y a la energía disponible en ese sistema. La energía puede ser cuantificada mediante calor, trabajo y energía interna. A continuación, se presentan las definiciones de cada una de estas variables.
- Calor: Es energía en tránsito debido a una diferencia de temperatura.
- Trabajo: Es la transferencia de energía relacionada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia.
- Energía interna: Es la suma de todas las formas microscópicas de energía en un sistema.
Una de las experiencias más comunes que podemos encontrar en la vida cotidiana es cuando tenemos una taza de café o té muy calientes. Aquí podemos observar cómo a medida que pasa el tiempo, la temperatura del líquido en la taza comienza a descender hasta que ésta se iguala a la que se tiene en el ambiente. También podemos encontrar una experiencia parecida cuando sacamos del refrigerador una bebida a una baja temperatura y, al cabo de unos minutos, la temperatura de esta comienza a subir hasta igualarse con la del medio ambiente. En ambos casos, se dice que tanto el líquido caliente o frío, según sea el caso, han alcanzado el equilibrio térmico con el ambiente. Quizá no te habías preguntado por qué sucede esto. A continuación, se revisará la razón y su fundamento.
Ley Cero de la Termodinámica
Esta ley establece lo siguiente:
«Dos cuerpos están en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura incluso si no están en contacto.»
Esta ley, entre otras aplicaciones, sirve como base para la validez de la medición de la temperatura y quien la formuló fue R.H. Fowler en 1931 (Cengel&Boles, 2019).
En seguida se presentan las diferentes formas de energía que se tienen en un sistema termodinámico.
Formas de Energía
El principio de conservación de la energía como tal establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma, sin embargo, es necesario conocer las principales formas de energía presentes en los sistemas termodinámicos para poder realizar un análisis detallado.
En la siguiente figura se muestra un cuadro sinóptico de algunas formas de energía.
Cada una de estas formas tiene una expresión característica para el cálculo de las mismas. En la Tabla 1 se muestran algunas de estas expresiones típicas.
En estas expresiones,
m es la masa en kg,
V es la velocidad en m/s
g es la aceleración de la gravedad en m/s2
z es la altura en m
Cp es el calor específico en kJ/kg K
∆T es la diferencia de temperatura que puede ser expresada en K o en °C.
De manera general, es muy común que en el análisis de sistemas termodinámicos se consideran solo tres tipos de energías: cinética, potencial e interna, ya que los otros tipos se consideran en casos muy particulares. Es así que, en ausencia de los efectos magnéticos, eléctricos, químicos y de tensión superficial una expresión para la energía total en un sistema puede considerarse como:
El cambio de energía total ∆E de un sistema fijo es idéntico al cambio de energía interna ∆U, por lo cual una expresión para la energía en un sistema puede expresarse de la siguiente manera:
A continuación, se muestra la relación existente entre el trabajo, el calor y la energía interna. Dicha relación se da mediante la Primera Ley de la Termodinámica.
Primera Ley de la Termodinámica
La energía puede cruzar la frontera en un sistema cerrado en dos formas distintas: calor y trabajo. Cuando el calor entra al sistema, se dice que se gana calor y cuando éste sale del sistema, se dice que se pierde calor. Por el contrario, cuando el trabajo entra al sistema, se dice que el sistema requiere trabajo para su funcionamiento, mientras que, si el trabajo sale del sistema, el significado es que el sistema desarrolla un trabajo. Estas consideraciones se establecen en la Primera Ley de la Termodinámica la cual establece que:
«El cambio en la energía interna de un sistema es igual al calor neto que se le transfiere, más el trabajo neto que se hace sobre él.»
Este enunciado se representa en forma de ecuación por:
En la tabla 2 se muestran los signos que adquieren tanto el calor como el trabajo dependiendo de la situación en la que se trate, de acuerdo a lo mencionado en el primer párrafo de este apartado.
| Condición | Signo en la ecuación |
|---|---|
| El calor se absorbe por el sistema | Q (+) |
| El calor se rechaza del sistema | Q (-) |
| Se requiere trabajo para que el sistema funcione | W (-) |
| El sistema desarrolla trabajo | W (+) |
Otras variables físicas
Además de las variables mencionadas existen otras que ayudarán al cálculo del trabajo y del calor en la ecuación de la Primera Ley de la Termodinámica, estas se presentan en la Tabla 3.
Aquí,
ρ es la densidad de fluido (kg/m3)
A es el área del ducto por el cual pasa el fluido en m2
V es la velocidad en m3
u es la energía interna en kJ/kg
h es la entalpía en kJ/kg
p es la presión en Pa
v es el volumen específico en m3/kg
Las primeras dos variables son utilizadas para el análisis sobre todo en sistemas donde fluye un fluido y donde se conoce el diámetro de la tubería, mientras que la última se aplica para simplificar los cálculos en problemas en donde se conoce la entalpía, la presión o el volumen específico.
A manera de complemento, revisar los siguientes enlaces:
Conclusión
En resumen, las leyes de la Termodinámica son utilizadas en general para el tratamiento de la energía en un sistema. Existen diferentes formas de energía y las más comunes son presentadas en esta sesión. En particular, la Ley Cero de la Termodinámica se refiere al equilibrio térmico en los sistemas, el cual se alcanza cuando la temperatura es la misma en todos los sistemas. Por otro lado, la Primera Ley de la Termodinámica habla sobre la dirección de la energía, si el sistema absorbe o genera calor, o si el sistema necesita o produce un trabajo, y para cada situación se presenta una convención de signos establecida.
En casos muy generales, es común el análisis de flujo de fluidos en ductos, y en este tipo de problemas normalmente se maneja el flujo másico ó el caudal volumétrico, que dependen directamente del diámetro de la tubería por la cual pasa el fluido, es así que en esta sesión se abordaron las ecuaciones para la determinación de estas variables y se complementa con la ecuación para la energía interna, la cual se empleará más adelante para el análisis de fluidos cuyo comportamiento es considerado como gas ideal.
Por lo anterior, en esta tercera sesión se han revisado conceptos básicos que servirán para el análisis y solución de ejercicios prácticos que se verán en la sesión cuatro correspondiente a este mismo tema.
Finalmente, se pide al estudiante que revise los materiales propuestos a manera de complemento y pueda desarrollar de manera más sencilla las competencias que están marcadas en esta UDA.
Has llegado al final de la sesión y como puedes observar sigues abonando información valiosa a tu aprendizaje, te invito a continuar sumando información realizando la tarea asignada a esta clase. Recuerda que te espero en la próxima sesión.
Fuentes de información
- Cengel, Y. A., A. Boles A. M. & Mehmet, K. (2019). Termodinámica, (9a ed.). McGraw Hill Editores.
- Moran, J. M., & Shapiro, N. H. (2008). Fundamentals of Engineering Thermodynamics. (6a ed.). John Willey & Sons, Inc.