Primera ley de la termodin√°mica

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Primera ley de la termodin√°mica

Primera ley de la termodin√°mica

La Primera Ley de la Termodin√°mica o Primer Principio de la Termodin√°mica se postula a partir del siguiente hecho experimental:

En un sistema cerrado adiab√°tico que evoluciona de un estado inicial A a otro estado final B, el trabajo realizado no depende ni del tipo de trabajo ni del proceso seguido.

Este enunciado supone formalmente definido el concepto de trabajo termodinámico, y sabido que los sistemas termodinámicos sólo pueden interaccionar de tres formas diferentes (interacción material, interacción en forma de trabajo e interacción térmica). En general, el trabajo es una magnitud física que no es una variable de estado del sistema, dado que depende del proceso seguido por dicho sistema. Este hecho experimental, por el contrario, muestra que para los sistemas cerrados adiabáticos, el trabajo no va a depender del proceso, sino tan solo de los estados inicial y final. En consecuencia, podrá ser identificado con la variación de una nueva variable de estado de dichos sistemas, definida como Energía.

Se define entonces la Energía, E,como una variable de estado cuya variación en un proceso adibático es el trabajo intercambiado por el sistema:

 \Delta E = + \ W

Cuando el sistema cerrado evoluciona del estado incial A al estado final B pero por un proceso no adibático, la variación de la Energía debe ser la misma, sin embargo, ahora, el trabajo intercambiado será diferente del trabajo adiabático anterior. La diferencia entre ambos trabajos debe haberse realizado por medio de interacción térmica. Se define entonces la cantidad de energía térmica intercambiada Q (calor) como:

Q = őĒE ‚ąí W

Esta definición suele identificarse con la ley de la conservación de la energía y, a su vez, identifica el calor como una transferencia de energía. Es por ello que la ley de la conservación de la energía se utilice, fundamentalmente por simplicidad, como uno de los enunciados de la primera ley de la termodinámica:

La variación de energía de un sistema termodinámico cerrado es igual a la diferencia entre la cantidad de calor y la cantidad de trabajo intercambiados por el sistema con sus alrededores.

En su forma matem√°tica m√°s sencilla se puede escribir para cualquier sistema cerrado:

őĒE = Q + W

donde:

\Delta E\, es la variación de energía del sistema,
 Q\, es el calor intercambiado por el sistema, y
 W\, es el trabajo intercambiado por el sistema a sus alrededores.

Contenido

Historia

Durante la d√©cada de 1840, varios f√≠sicos entre los que se encontraban Joule, Helmholtz y Meyer, fueron desarrollando esta ley. Sin embargo, fueron primero Clausius en 1850 y Thomson (Lord Kelvin) un a√Īo despu√©s quienes escribieron los primeros enunciados m√°s formales.[1] [2]

Descripción

La forma de transferencia de energ√≠a com√ļn para todas las ramas de la f√≠sica -y ampliamente estudiada por √©stas- es el trabajo.

Dependiendo de la delimitación de los sistemas a estudiar y del enfoque considerado, el trabajo puede ser caracterizado como mecánico, eléctrico, etc. pero su característica principal es el hecho de transmitir energía y que, en general, la cantidad de energía transferida no depende solamente de los estados inicales y finales, sino también de la forma concreta en la que se lleven a cabo los procesos.

El calor es la forma de transferencia de un tipo de energ√≠a particular, propiamente termodin√°mica, que es debida √ļnicamente a que los sistemas se encuentren a distintas temperaturas (es algo com√ļn en la termodin√°mica catalogar el trabajo como toda trasferencia de energ√≠a que no sea en forma de calor). Los hechos experimentales corroboran que este tipo de transferencia tambi√©n depende del proceso y no s√≥lo de los estados inicial y final.

Sin embargo, lo que los experimentos sí demuestran es que dado cualquier proceso de cualquier tipo que lleve a un sistema termodinámico de un estado A a otro B, la suma de la energía transferida en forma de trabajo y la energía transferida en forma de calor siempre es la misma y se invierte en aumentar la energía interna del sistema. Es decir, que la variación de energía interna del sistema es independiente del proceso que haya sufrido. En forma de ecuación y teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico esta ley queda de la forma:

 \Delta U= \ Q + \ W

Así, el la Primera Ley (o Primer Principio) de la termodinámica relaciona magnitudes de proceso (dependientes de éste) como son el trabajo y el calor, con una variable de estado (independiente del proceso) tal como lo es la energía interna.

Aplicaciones de la Primera Ley

  • Sistemas cerrados:

Un sistema cerrado es uno que no tiene intercambio de masa con el resto del universo termodinámico. También es conocido como masa de control.

El sistema cerrado puede tener interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como puede realizar trabajo a través de su frontera.

La ecuación general para un sistema cerrado (despreciando energía cinética y potencial y teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico) es:

őĒU = Q + W

Donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema, W es el trabajo total e incluye trabajo eléctrico, mecánico y de frontera; y U es la energía interna del sistema.


  • Sistemas abiertos

Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar trabajo de frontera.

La ecuación general para un sistema abierto en un intervalo de tiempo es:

Q + W + \sum_{in} m_{in} (h + \frac1 2 V^{2} + gz)_{in}-\sum_{out} m_{out} (h + \frac1 2 V^{2} + gz)_{out} = \Delta E_{sistema}

O igualmente:

Q + W + ‚ąĎ minőłin ‚ąí ‚ąĎ moutőłout = őĒEsistema
in out

Donde:

in representa todas las entradas de masa al sistema.
out representa todas las salidas de masa desde el sistema.
őł es la energ√≠a por unidad de masa del flujo y comprende la entalp√≠a, energ√≠a potencial y energ√≠a cin√©tica:
\theta = h + \frac1 2 V^{2} + gz
La energía del sistema es:
E_{sistema} = U + \frac1 2 m V^{2} + mgz
La variación de energía del sistema en el intervalo de tiempo considerado (entre t0 y t) es:
\Delta E_{sistema} = \int_{t_0}^t \frac{dE}{dt}dt
  • Sistemas abiertos en estado estacionario

El balance de energ√≠a se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario (tambi√©n conocido como estado estable). En estado estacionario se tiene őĒEsistema = 0, por lo que el balance de energ√≠a queda:

Q - W + \sum_{in} m_{in} (h + \frac1 2 V^{2} + gz)_{in}-\sum_{out} m_{out} (h + \frac1 2 V^{2} + gz)_{out} = 0


  • Sistema Aislado

Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior.

Véase también

Referencias

  1. ‚ÜĎ Clausius, R. (1850). ¬ę√úber die bewegende Kraft der W√§rme¬Ľ Annalen der Physik und Chemie. Vol. 79. pp. 368-397, 500-524. Consultado el 23 de septiembre de 2009.
  2. ‚ÜĎ Thomson, W. (Lord Kelvin) (1851). ¬ęOn the Dynamical Theory of Heat, with Numerical Results Deduced from Mr Joule‚Äôs Equivalent of a Thermal Unit, and M. Regnault‚Äôs Observations on Steam¬Ľ Transactions of the Royal Sociey of Edinburgh. Vol. 20. pp. 261-268, 289-298. Consultado el 24 de septiembre de 2009.

Enlaces externos

Obtenido de "Primera ley de la termodin%C3%A1mica"

Wikimedia foundation. 2010.

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