Aplicaciones de la Primera Ley de la Termodinámica

La energía, como la materia, siempre se conserva, lo que significa que no se puede crear ni destruir, pero se puede convertir de una forma a otra. La energía interna es un atributo termodinámico de un sistema que se refiere a la energía asociada con las moléculas del sistema y comprende energía cinética y potencial. Cada vez que un sistema sufre un cambio como resultado de la interacción de calor, trabajo y energía interna, le sigue una serie de transferencias y conversiones de energía. Sin embargo, no hay un cambio neto en la energía total a lo largo de estos intercambios. De manera similar, la ley fundamental de la termodinámica confirma que el calor es un tipo de energía. Esto significa que los procesos termodinámicos están guiados por el concepto de conservación de la energía. La primera ley de la termodinámica se conoce a menudo como la Ley de conservación de la energía.

Primera Ley de la Termodinámica

Un sistema termodinámico en equilibrio tiene una variable de estado conocida como energía interna (E). La diferencia de energía interna entre dos sistemas es igual a la diferencia entre la transferencia de calor al sistema y el trabajo realizado por el sistema. La energía del universo permanece constante, según la primera ley de la termodinámica. Puede intercambiarse entre el sistema y el entorno, pero no puede generarse ni destruirse. La ley se ocupa principalmente de los cambios en los estados de energía causados ​​por el trabajo y la transmisión de calor. Reimagina el concepto de conservación de energía.

El calor es un tipo de energía, según la Primera Ley de la Termodinámica, por lo que los procesos termodinámicos se rigen por el concepto de conservación de la energía. Como resultado, ni el calor ni la energía fría pueden crearse o destruirse. Sin embargo, puede ser movida de una región a otra y cambiada dentro y fuera de otros tipos de energía.

La ecuación de la primera ley de la termodinámica se da como;

ΔU = q + W

donde: ΔU es el cambio en la energía interna del sistema, q es la suma algebraica de la transferencia de calor entre el sistema y el entorno, W es la interacción de trabajo del sistema con su entorno.

1. La energía (E) es siempre constante en un sistema aislado.
2. La energía interna es una propiedad del sistema y una función puntual. La energía interna es una característica amplia (dependiente de la masa), mientras que la energía específica es un atributo estrecho (independiente de la masa) (independiente de la masa).
3. La energía interna de un gas ideal es solo una función de la temperatura.

Importancia de la Primera Ley de la Termodinámica: La primera ley de la termodinámica se basa en la idea de la conservación de la energía. Esto indica que la energía no puede generarse ni destruirse, pero puede cambiar a diferentes formas sin pérdida de energía. Cuando un sistema pasa de un estado a otro, tanto dQ como dW se ven afectados por la naturaleza del proceso. dU, por otro lado, es el mismo para todas las operaciones. 

Limitaciones de la Primera Ley de la Termodinámica 

• Cuando un sistema pasa por un proceso termodinámico, siempre debe mantener un balance de energía preciso, de acuerdo con la ley. La primera ley, por el contrario, no proporciona la viabilidad del proceso o cambio de estado por el que atraviesa el sistema. 
• La primera ley, por ejemplo, no explica por qué el calor se transfiere del extremo caliente al extremo frío cuando una varilla metálica se calienta en un extremo pero no en el otro, y viceversa. 
• La primera ley solo cuantifica la cantidad de energía transferida durante este proceso. La segunda ley de la termodinámica sirve como punto de referencia para la viabilidad de varios procesos.

Primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado

El trabajo realizado en un sistema cerrado es el producto de la presión aplicada y el cambio de volumen causado por la presión aplicada.

W = − PAG ΔV

Donde P es la presión externa constante sobre el sistema y ΔV es el cambio de volumen del sistema. Esto se llama específicamente trabajo de presión-volumen.

La energía interna de un sistema aumenta o disminuye en respuesta al contacto de trabajo que ocurre a través de sus límites. La energía interna aumenta cuando se realiza trabajo sobre el sistema y disminuye cuando el sistema realiza trabajo. Cualquier interacción de calor que ocurre en el sistema con su entorno modifica la energía interna del sistema. Sin embargo, debido a que la energía es constante (como establece la primera ley de la termodinámica), el cambio total en la energía interna siempre es cero. Si el sistema pierde energía, es absorbida por el medio ambiente. Cuando la energía es absorbida por un sistema, significa que la energía fue liberada por el medio ambiente:

ΔU _sistema = −ΔU _entorno

Donde ΔU _sistema es el cambio en la energía interna total del sistema, y ​​ΔU _entorno es el cambio en la energía total del entorno.

Aplicaciones de la Primera Ley de la Termodinámica

• Proceso isotérmico: La temperatura de un gas ideal permanece constante durante un proceso isotérmico. Esto significa que el calor suministrado al sistema se utiliza para trabajar contra el medio ambiente. Asi que,

dQ = dU + dW 

⇒ dQ = dW

• Proceso de fusión: cuando un sólido se convierte en líquido, su energía interna aumenta. Sea m = masa del líquido y L = calor latente del sólido. Cantidad de calor absorbido por el sistema, dQ = mL.

Se produce una pequeña cantidad de expansión, es decir, ΔV = 0 

⇒ dW = PΔV = 0 

Asi que, 

dQ = dU + dW 

⇒ dU = mL

Por lo tanto, la energía interna aumenta durante el proceso de fusión.

• Motores térmicos: 

La máquina térmica es la aplicación práctica más común de la Primera Ley. La energía térmica se convierte en energía mecánica a través de motores térmicos y viceversa. La gran mayoría de los motores térmicos son sistemas abiertos. La idea básica de una máquina térmica hace uso de las correlaciones entre el calor, el volumen y la presión de un fluido de trabajo. Este fluido normalmente es un gas, sin embargo, puede pasar de gas a líquido y volver a gas durante un ciclo en algunos casos.

Cuando se calienta un gas, se expande; sin embargo, cuando el mismo gas está confinado, su presión aumenta. Si la pared inferior de la cámara de confinamiento es la parte superior de un pistón en movimiento, esta presión ejerce una fuerza sobre la superficie del pistón, haciendo que se desplace hacia abajo. Este movimiento se puede usar para proporcionar un trabajo igual a la fuerza total aplicada a la parte superior del pistón multiplicada por la distancia recorrida por el pistón.  

Frigoríficos, acondicionadores de aire y bombas de calor

Los refrigeradores y las bombas de calor son convertidores de energía mecánica que convierten la energía mecánica en calor. La mayoría de estos se clasifican como sistemas cerrados. Cuando se comprime un gas, su temperatura aumenta. Este gas caliente puede entonces irradiar calor a su entorno. Cuando se permite que el gas comprimido se expanda, su temperatura cae por debajo de lo que era antes de la compresión porque parte de su energía térmica se eliminó durante el ciclo caliente. Después de eso, el gas frío puede absorber energía térmica de su entorno. Este es el principio de funcionamiento de un acondicionador de aire. Los acondicionadores de aire no generan frío; más bien, eliminan el calor. Una bomba mecánica transporta el fluido de trabajo al exterior, donde se comprime y calienta. Luego, el calor se transfiere al ambiente exterior, generalmente a través de un intercambiador de calor enfriado por aire.

Una bomba de calor es básicamente un acondicionador de aire de ciclo inverso. El calor del fluido de trabajo comprimido se utiliza para calentar el edificio. Luego se traslada al exterior, donde se expande y se enfría, lo que le permite absorber el calor del aire exterior, que normalmente es más cálido que el fluido de trabajo frío, incluso en invierno. 

Ejemplos de preguntas 

Pregunta 1: ¿Cuál es la entalpía de formación de la forma más estable de un elemento en su estado estándar?

Responder:

La entalpía de formación de la forma más estable de un elemento en su estado estándar es cero.

Pregunta 2: Enuncie la ley de Hess.

Responder:

De acuerdo con la ley de Hess, el cambio en la entalpía de una reacción permanece constante ya sea que la reacción se lleve a cabo en un solo paso o en varios pasos.

Pregunta 3: Defina la primera ley de la termodinámica.

Responder:

La energía no se crea ni se destruye, según la primera ley de la termodinámica. La energía de un sistema aislado permanece constante.

Pregunta 4: Muchas reacciones termodinámicamente factibles no ocurren en condiciones ordinarias. ¿Por qué?

Responder:

La energía promedio de los reactivos puede ser menor que la energía umbral en condiciones normales. Para iniciar la reacción, necesitan algo de energía de activación.

Pregunta 5: ¿Por qué la primera ley de la termodinámica es importante para el medio ambiente?

Responder:

Todas las especies vivas de la Tierra dependen únicamente del sol para obtener energía. Estas energías recibidas por las plantas no se devuelven al sistema solar, sino que se transmiten a los herbívoros que comen vegetación verde. Cuando los herbívoros mueren, parte de la energía adquirida por ellos es utilizada por los carnívoros o transmitida a los descomponedores.