Las reglas termodinámicas son sencillas de establecer. ¿Sabes que los principios de la termodinámica se aplican al cuerpo humano? Cuando estamos en una habitación llena de gente, empezamos a sudar y sentir calor, y si la habitación es pequeña, la transpiración se vuelve excesiva. Esto ocurre porque su cuerpo está tratando de enfriarse y el calor se transfiere del cuerpo a través de la transpiración. Esto requiere la aplicación de la primera ley de la termodinámica.
Primero debemos comprender una relación entre el trabajo y el calor, así como una idea de la energía interna, antes de pasar a la primera ley de la termodinámica. La energía, como la materia, siempre se conserva, lo que significa que no se puede generar ni destruir, pero se puede convertir en diferentes formas. Una propiedad termodinámica cita la energía que está relacionada con las moléculas del sistema, incluida la energía potencial y cinética, se denomina energía interna de un sistema.
Cuando un sistema cambia como resultado de la relación de trabajo, calor y energía interna, ocurren múltiples transferencias y conversiones de energía. Sin embargo, el cambio neto en la energía total a lo largo de estos intercambios es cero. De la misma manera, la primera ley de la termodinámica explica que el calor es un tipo de energía. Significa que el principio de conservación de la energía gobierna los procesos termodinámicos. La Ley de Conservación de la Energía es otro nombre para la ley fundamental de la termodinámica.
¿Qué es la Primera Ley de la Termodinámica?
La primera ley de la termodinámica establece que la energía total de un sistema aislado es constante. La energía se puede transformar de una forma a otra, pero no se puede crear ni destruir.
La primera ley de la termodinámica.
La energía interna es una variable de estado en un sistema termodinámico que está en equilibrio. La diferencia de energía interna entre los dos sistemas es igual a la transferencia de calor al sistema menos el trabajo realizado por el sistema.
Según la primera regla de la termodinámica, la energía del universo no cambia. Puede transferirse entre el sistema y el entorno, pero no puede producirse ni destruirse. La ley se ocupa principalmente de los estados de energía como resultado del trabajo y la transmisión de calor. Reinterpreta la noción de conservación de la energía.
Podemos usar el ejemplo popular de una máquina térmica para ayudarlo a comprender el significado de la Primera Ley. La energía térmica se transforma en energía mecánica en un motor térmico, y el proceso también se invierte. La mayoría de los motores térmicos se clasifican como sistemas abiertos. El principal concepto de trabajo de un motor térmico es aprovechar las muchas interacciones entre el calor, la presión y el volumen de un fluido de trabajo, que generalmente es un gas. No es raro que el gas se convierta en líquido y luego vuelva a ser gas.
Ecuación de la primera ley de la termodinámica
De acuerdo con esta regla, parte del calor suministrado al sistema se utiliza para modificar la energía interna, mientras que el sistema utiliza el resto para realizar trabajo. Matemáticamente,
ΔQ = ΔU + ΔW
dónde
- ΔU es el cambio en la energía interna del sistema,
- ΔW es el trabajo realizado por el sistema, &
- ΔQ es el calor suministrado al sistema.
Hay una transferencia de calor neta al sistema si Q es positivo, y el sistema realiza trabajo si W es positivo. Como resultado, la Q positiva proporciona energía al sistema, mientras que la W positiva la agota. Cuando se aplica calor a un sistema, la energía interna tiende a aumentar y viceversa.
Cosas para recordar
- La energía interna de un gas ideal es sólo una función de la temperatura.
- La energía interna es la función y el atributo puntuales de un sistema. 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).
- La energía (E) es siempre constante en un sistema aislado.
Limitaciones de la Primera Ley
- La primera ley de la termodinámica tiene una limitación en el sentido de que no establece nada sobre la dirección del flujo de calor.
- No es factible revertir el procedimiento. En realidad, el calor no se convierte por completo en trabajo. Podríamos mover barcos a través del océano extrayendo calor del agua del océano si hubiera sido factible convertir todo el calor en trabajo.
- No hace distinción entre si el proceso es espontáneo o no.
Máquina de movimiento perpetuo de primer tipo (PMM1)
Es imposible construir una máquina que pueda realizar un trabajo mecánico indefinidamente sin gastar energía. La máquina de movimiento perpetuo del primer tipo es un dispositivo hipotético como este. Estas máquinas contradicen la primera regla de la termodinámica y no existen en el mundo real.
Ciclos Termodinámicos
- La energía total en un sistema aislado permanece constante. El calor neto proporcionado al sistema es igual al trabajo neto realizado por el sistema en un ciclo termodinámico. Las pilas que utilizamos, por ejemplo, transforman la energía química en energía eléctrica. Las bombillas eléctricas también convierten la energía eléctrica en energía luminosa.
- El trabajo realizado sobre o por un gas está determinado no solo por los estados inicial y final del gas, sino también por el proceso o camino que conduce al estado final. La cantidad de calor transportado dentro o fuera de un gas también está determinada por los estados inicial y final, así como por el proceso que crea el estado final.
- La energía interna es lo mismo que la energía potencial de un elemento a cierta altura sobre la tierra o la energía cinética de un objeto en movimiento. La energía interna de un sistema termodinámico se transforma en energía cinética o potencial de la misma manera que la energía potencial cambia a energía cinética mientras se preserva la energía total del sistema. La energía interna puede almacenarse en el sistema de la misma manera que la energía potencial. La primera regla de la termodinámica permite una amplia gama de estados potenciales del sistema, pero solo unos pocos se ven en la naturaleza.
Primera Ley de la Termodinámica para un Sistema Cerrado
El producto de la presión aplicada y el cambio de volumen que ocurre como resultado de la presión aplicada es el trabajo realizado para un sistema cerrado:
W = – P ΔV
dónde
- P denota la presión externa constante del sistema, y
- V denota el cambio de volumen.
Esto se conoce como trabajo de presión-volumen .
La energía interna de un sistema aumenta o disminuye en respuesta a las interacciones de trabajo que ocurren a través de sus límites. Cuando se realiza trabajo sobre el sistema, la energía interna aumenta, pero disminuye cuando el sistema realiza trabajo. Cualquier intercambio de calor entre el sistema y su entorno altera la energía interna del sistema. Sin embargo, el cambio total en la energía interna siempre es cero ya que la energía permanece constante (según la primera regla de la termodinámica). Si el sistema pierde energía, es absorbida por el entorno. Si la energía se absorbe en un sistema, la energía debe haber sido liberada por el medio ambiente:
ΔU sistema = −ΔU entorno
dónde
- ΔU sistema es el cambio en la energía interna total del sistema, y
- ΔU entorno es el cambio en la energía total del entorno.
Hay cuatro procesos involucrados en el sistema cerrado:
- Proceso isotérmico: Un proceso en el que la temperatura es constante. La energía térmica interna siempre es cero para este proceso.
- Proceso adiabático: Un proceso en el que el calor ni sale ni entra en el sistema. La transferencia de calor es siempre cero para este proceso.
- Proceso Isobárico: Un proceso en el cual la presión externa es siempre constante.
- Proceso Isocórico: Un proceso en el que el volumen es siempre constante. El trabajo realizado es siempre cero para este proceso.
Problemas de muestra
Problema 1: ¿Encuentra la energía interna de un sistema que tiene volumen constante y el calor alrededor del sistema aumenta en 30 J?
Solución:
Dado que,
Transferencia de calor, ΔQ = 30 J
Para volumen constante, ΔV = 0
W = P ΔV
= 0
La fórmula para la energía interna se da como:
ΔU = ΔQ – W
= 30J – 0
= 30J
Por lo tanto, el cambio en la energía interna del sistema es de 30 J.
Problema 2: Calcule el cambio en la energía interna del sistema si se agregan 2000 J de calor a un sistema y se realiza un trabajo de 1500 J.
Solución:
Dado:
Calor agregado a un sistema, ΔQ = 2000 J
Trabajo realizado en el sistema, W = 1500 J
La fórmula para la energía interna se da como:
ΔU = ΔQ – W
= 2000 J – 1500 J
= 500J
Por lo tanto, el cambio en la energía interna del sistema es de 500 J.
Problema 3: ¿Cuál es el significado de la primera ley de la termodinámica para el medio ambiente?
Responder:
La energía no se genera ni se destruye, según la primera ley; solo se puede cambiar de una forma a otra. Todas las especies vivas de la Tierra dependen del sol para su energía. La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas transforman la energía solar en energía química. Estas energías no son devueltas al sistema solar por las plantas; en cambio, se transmiten a los herbívoros que comen vegetación verde. Los carnívoros utilizan parte de la energía obtenida por los herbívoros, mientras que parte de la energía obtenida por los herbívoros pasa a los descomponedores cuando mueren los herbívoros.
Problema 4: Enunciar Primera Ley de la Termodinámica.
Responder:
La Primera Ley de la Termodinámica establece que el calor es una forma de energía, por lo que los procesos termodinámicos están sujetos al principio de conservación de la energía. Esto significa que la energía térmica no puede crearse ni destruirse. Sin embargo, puede transferirse de un lugar a otro y convertirse hacia y desde otras formas de energía.
Problema 5: Un gas en un recipiente cerrado se calienta con 20J de energía, haciendo que la tapa del recipiente se eleve 3 m con 4 N de fuerza. ¿Cuál es el cambio total de energía del sistema?
Solución:
Dado:
Calor suministrado al recipiente, ΔQ = 20 J
Elevación en la tapa del contenedor, Δx = 3 m
Fuerza aplicada sobre el contenedor, F = 4 N
No se nos da un valor para el trabajo, pero podemos resolverlo usando la fuerza y la distancia. El trabajo es el producto de la fuerza y el desplazamiento.
W = F Δx
= 4 norte × 3 m
= 12J
La fórmula para la energía interna se da como:
ΔU = ΔQ – W
= 20 J – 12 J
= 8J
Por lo tanto, el cambio en la energía interna del sistema es de 8 J.