La app de estudio todo en uno
4.8 • +11 mil reviews
Más de 3 millones de descargas
Free
La primera ley de la termodinámica es una de las tres leyes fundamentales de la termodinámica. Se deriva de la conservación de la Energía, pero se enuncia de forma diferente y más útil para la termodinámica. Esto se hace con el fin de incluir sistemas en los que el principal…
xplora nuestra app y descubre más de 50 millones de materiales de aprendizaje totalmente gratis.
Lerne mit deinen Freunden und bleibe auf dem richtigen Kurs mit deinen persönlichen Lernstatistiken
Jetzt kostenlos anmeldenLa primera ley de la termodinámica es una de las tres leyes fundamentales de la termodinámica. Se deriva de la conservación de la Energía, pero se enuncia de forma diferente y más útil para la termodinámica. Esto se hace con el fin de incluir sistemas en los que el principal método de transferencia de Energía es la transferencia de calor y el trabajo.
La primera ley de la termodinámica fue planteada, en el siglo XIX, por Rudolf Clausius y William Thomson. Establece que el cambio total en la energía interna \(\Delta U\) de un sistema cerrado es igual a la transferencia total de calor suministrada al sistema \(Q\) menos el trabajo total realizado por el sistema \(W\).
Fig. 1: Rudolf Immanuel Clausius se considera uno de los padres de la termodinámica. Él, junto a Lord Kelvin, formularon las bases de la termodinámica.
La propuesta de la primera ley de la termodinámica según Clausius fue la siguiente:
En todos los casos en los que se produce trabajo por medio del calor, se consume una cantidad de calor que es proporcional al trabajo efectuado; y a la inversa, por el gasto de una cantidad igual de trabajo se produce una cantidad igual de calor.
Esta ley relaciona la energía interna, el calor y el trabajo que se aplican sobre un sistema.
La primera ley de la termodinámica aplica la conservación de la energía a los procesos termodinámicos. Establece que el calor es la energía necesaria que debe intercambiar un sistema para balancear los cambios en la energía interna, debido al trabajo efectuado sobre o por el sistema.
La ecuación general de la conservación de la energía nos dice que la energía del sistema es igual a la diferencia entre la energía que entra y sale del sistema:
\[E_{\text{sistema}}=E_{\text{entra}}-E_{\text{sale}}\]
Si aplicamos este principio a la termodinámica, obtenemos la siguiente ecuación:
\[\Delta U = Q-W\]
Donde:
Podrías encontrar la misma fórmula escrita con un símbolo positivo delante del trabajo. En ese caso, consideramos que el trabajo es positivo cuando se realiza sobre el sistema.
Para entender mejor la primera ley de la termodinámica, necesitamos recordar cada uno de sus elementos.
La energía interna de un sistema a pequeña escala puede considerarse como la suma almacenada de la Energía cinética y potencial de sus átomos y moléculas.
Sin embargo, es más útil definir la energía interna a una escala mayor, utilizando las magnitudes macroscópicas de un sistema —como la presión, la temperatura y el volumen— para estudiar el comportamiento del sistema.
El calor (\(Q\)), medido en julios (\(\mathrm{J}\)), es la energía que se transfiere por el movimiento molecular y las colisiones debido a una diferencia de temperatura.
Cuando se toma como referencia el sistema, el calor que entra puede considerarse positivo, mientras que el calor que sale de un sistema es negativo.
El trabajo (\(W\)) de un sistema, medido en julios (\(\mathrm{J}\)), es la energía que se transfiere de un sistema a otro o a su entorno. Es una forma general de trabajo mecánico.
En la siguiente tabla veremos algunos ejemplos de trabajo positivo y negativo, en función del sistema de referencia elegido.
Ejemplos | Trabajo realizado en el sistema (Positivo) | Trabajo realizado por el sistema (Negativo) |
Una máquina de vapor produce trabajo. | El entorno es el sistema de referencia; es decir, la máquina añade energía al entorno. | La máquina es el sistema de referencia. Esto significa que la energía se pierde de la máquina a los alrededores. |
Los frigoríficos consumen trabajo. | Los frigoríficos son el sistema de referencia. La energía se añade a los frigoríficos desde el entorno. | El entorno es el sistema de referencia, es decir, la energía se pierde desde el entorno. |
Tabla 1: Ejemplos de trabajo.
La forma diferencial de la primera ley de la termodinámica puede verse a continuación.
La forma diferencial de la ecuación se utiliza para describir con más detalle la tasa de cambio del calor y el trabajo y, como extensión, la tasa de cambio de la energía interna de un sistema.
\[\partial U = \partial Q -\partial W\]
En el caso del trabajo realizado en un sistema hidrostático —un sistema que contiene fluidos —la ecuación diferencial puede simplificarse. Por lo tanto, la primera ley de la termodinámica también se puede escribir como se muestra a continuación, cuando el volumen de un fluido cambia:
\[\partial W=-p\partial V \, \, \partial U = \partial Q +p \partial V\]
Donde:
El signo negativo indica que los cambios de volumen son siempre opuestos al signo de los cambios de trabajo. Por ejemplo, si el trabajo es positivo, \(\partial V\) sería negativo, y viceversa.
La aplicación más común de la primera ley de la termodinámica es el motor térmico, que se utiliza en trenes, vehículos, etc. Otras aplicaciones son los motores de los aviones, los sistemas de refrigeración y las bombas de calor.
¿Cuánto trabajo realiza un gas que se comprime de \(35\,\,\mathrm{L}\) a \(15\,\, \mathrm{L}\) bajo una presión externa constante de \(3 \,\, \mathrm{atm}\)?
Solución:
Recordemos la ecuación para el trabajo:
\[\partial W = -p \partial V = -p \cdot (V_f-V_i)\]
Como el gas se comprime, el trabajo es positivo y \(\partial V\) es negativo:
\[\partial W = -3\,\, \mathrm{atm}(15\,\, \mathrm{L}-35\,\, \mathrm{L})=60\,\,\mathrm{L}\cdot \mathrm{atm}\]
Como tenemos que convertirlo a julios, multiplicamos por la constante de los gases \(8,31447\,\,\mathrm{J/mol\cdot K}\) y dividimos por la constante de los gases \(0,08206\, \, \mathrm{L \cdot atm/mol\cdot K}\).
\[\partial W=\dfrac{60\,\, \mathrm{atm}(8,31447 \, \, \mathrm{J/mol \cdot K})}{0,08206 \, \, \mathrm{L\cdot atm/mol \cdot K}}=6079\,\, \mathrm{J}\]
Hay tres tipos de sistemas que se pueden observar en la termodinámica:
Los gases son sensibles a los cambios en cantidades macroscópicas como el volumen, la temperatura y la densidad.
Por ejemplo:
Para una presión constante, se puede utilizar la siguiente fórmula:
\[W=-p\cdot \Delta V\]
Donde
El signo menos indica que el trabajo se realiza con respecto al sistema.
Desde una perspectiva termodinámica, se aplica lo siguiente:
Las leyes de la termodinámica son aquellas que describen el comportamiento de la temperatura, la energía y la entropía en los sistemas termodinámicos.
ΔU=Q-W
La primera ley nos permite estudiar la relación entre la energía interna del sistema y la energía que intercambia con el entorno.
Por lo tanto, se utiliza en muchas aplicaciones de nuestra vida diaria. Por ejemplo, en los motores térmicos, las reacciones químicas y la interacción entre partículas.
La primera ley de la termodinámica fue derivada en el siglo XIX por Rudolf Clausius y William Thomson.
Tarjetas en Primera ley de la Termodinámica15
Empieza a aprender¿Cuál es la conversión de energía en un ventilador eléctrico?
Energía eléctrica a mecánica.
¿Cuál(es) es(son) el(los) diferente(s) tipo(s) de energía(s) que podemos encontrar a nuestro alrededor?
Energía química.
¿Cuántas leyes de la termodinámica hay en la física?
3.
¿Cuál es el nombre del proceso que ocurre a temperatura constante?
Isotérmico.
¿Cuál es el nombre del proceso que ocurre en la presión constante?
Proceso cíclico.
¿Cuál es la principal diferencia entre un cambio físico y un cambio químico?
Ninguna de las opciones.
¿Ya tienes una cuenta? Iniciar sesión
La primera app de aprendizaje que realmente tiene todo lo que necesitas para superar tus exámenes en un solo lugar.
Regístrate para poder subrayar y tomar apuntes. Es 100% gratis.
Guarda las explicaciones en tu espacio personalizado y accede a ellas en cualquier momento y lugar.
Regístrate con email Regístrate con AppleAl registrarte aceptas los Términos y condiciones y la Política de privacidad de StudySmarter.
¿Ya tienes una cuenta? Iniciar sesión