Primera ley de la Termodinmica

Termodinmica, campo de la fsic

a que describe y relaciona las

propiedades fsicas de la materia

de los sistemas macroscpicos,

as como sus intercambios

energticos (transferencia de

energa en forma de calor y de

trabajo).

Es el estudio del

comportamiento de la energa

calorfica y las formas en que

la energa se transforma en

calor.

Los principios de la termodinmica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniera.

Nos ayuda a comprender por qu los

motores no pueden ser nunca

totalmente eficientes. Por lo que se

pueden explicar la termodinmica al

diseo de motores, al clculo de la

energa liberada en reacciones o a

estimar la edad del universo.

DEFINICIONES: Sistema: cualquier grupo de tomos, molculas, partculas u objetos en estudio termodinmico. Por ejemplo el agua dentro de un envase, el cuerpo de un ser vivo o la atmsfera. Ambiente: todo lo que no pertenece al sistema, es lo que rodea al sistema, sus alrededores. Por ejemplo el exterior al envase donde est el agua, o el espacio que rodea a la atmsfera (puede ser todo el Universo). Entre el sistema y el ambiente puede haber intercambio de calor y de energa y se puede realizar trabajo. Sistema cerrado: sistema en el cual no entra ni sale masa, pero que puede intercambiar calor y energa con el ambiente. Sistema abierto: sistema que puede tener variacin de masa, como por ejemplo intercambio de gases o lquidos, o de alimentos en los seres vivos. Sistema cerrado aislado: sistema en el cual no se produce ningn intercambio de calor o energa con el ambiente a travs de sus fronteras.

La primera ley no es otra cosa que el principio de conservacin de la energa aplicado a un sistema de muchsimas partculas.

A cada estado del sistema le corresponde una energa interna U. Cuando el sistema pasa del estado A al estado B, su energa interna cambia en

U=UB-UA

Supongamos que el sistema est en el estado A y realiza un trabajo W, expandindose. Dicho trabajo mecnico da lugar a un cambio (disminucin) de la energa interna de sistema

U=-W

Tambin podemos cambiar el estado del sistema ponindolo en contacto trmico con otro sistema a diferente temperatura. Si fluye una cantidad de calor Q del segundo al primero, aumenta su energa interna en

U=Q

Si el sistema experimenta una transformacin cclica, el cambio en la energa interna es cero, ya que se parte del estado A y se regresa al mismo

estadoU=0. Sin embargo, durante el ciclo el sistema ha efectuado un trabajo, que ha de ser proporcionado por los alrededores en forma de transferencia de calor, para preservar el principio de conservacin de la energa, W=Q.

Si la transformacin no es cclica U 0

Si no se realiza trabajo mecnico U=Q

Si el sistema est aislado trmicamente U=-W Si el sistema realiza trabajo, U disminuye Si se realiza trabajo sobre el sistema, U aumenta Si el sistema absorbe calor al ponerlo en contacto trmico con un foco

a temperatura superior, U aumenta. Si el sistema cede calor al ponerlo en contacto trmico con un foco a

una temperatura inferior, U disminuye.

Todos estos casos, los podemos resumir en una nica ecuacin que describe la conservacin de la energa del sistema.

U=Q-W

Si el estado inicial y final estn muy prximos entre s, el primer principio se escribe

dU=dQ-pdV

Transformaciones

La energa interna U del sistema depende nicamente del estado del sistema, en un gas ideal depende solamente de su temperatura. Mientras que la transferencia de calor o el trabajo mecnico dependen del tipo de transformacin o camino seguido para ir del estado inicial al final.

Consideremos como sistema un gas encerrado en un cilindro provisto de un

mbolo que se puede desplazar dependiendo de la presin que el gas ejerza

sobre l.

Al suministrarle calor al sistema, las molculas del gas se agitan con mayor

energa cintica. Esta a su vez provoca un incremento en la presin sobre el

embolo que se desplaza cierta distancia x. el sistema realiza un trabajo sobre

el pistn que es igual a

T=f.x donde

F=PA, luego:

T=PAx y el producto Ax es el volumen desplazado por el gas:

T=P.V

En un grafico de presin contra volumen el trabajo realizado por el sistema

est representado por el rea bajo la curva.

Si durante la dilatacin la presin permanece constante, entonces

T=P (Vf-Vi).

Si al dilatarse el gas la presin disminuye, el rea bajo la curva representa el

trabajo realizado.

P P

Trabajo realizado Pi Trabajo realizado

P Pf

Vi Vf V Vi Vf V

Algunos procesos que se aplican frecuentemente en la investigacin

cientfica y en la tcnica son:

Proceso isobrico: es el que se realiza a presin constante.

P

P Q=P (Vf-Vi)+U

V . Vi Vf

Proceso isocoro o isovolumtrico: es el que se realiza a volumen constante.

En el proceso isocoro no se realiza trabajo; el rea bajo la curva es cero.

P f

Q=U

i

V

Proceso isotrmico: es el que se realiza a temperatura constante. La variacin de la energa interna es nula.

P

Q=T Q=T

V

Proceso adiabtico: es el que se realiza sin que haya intercambio de calor

entre el sistema y el ambiente.

El sistema no absorbe ni cede calor.

P

0=T+V

0=T+V

V

Conclusiones:

El estudio de la fsica es de mucha importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniera ya que los profesionales la utilizan mucho para realizar muchas obras para el beneficio de nosotros.

Al estudiar la ley de la termodinmica sabemos cmo se comporta la energa cuando acta en sistemas diferentes y como se transforma en calor.

Al estudiar tambin esta ley nos ayuda a conocer que los motores no son eficientes por que es imposible enfriar nada hasta el cero absoluto.

Nos ensea tambin las aplicaciones como por ejemplo en el diseo de

motores, en el clculo de la energa liberada en reacciones o a estimar la edad del universo y muchas otras cosas ms.

Bibliografa:

Internet/ley de la termodinmica Libro/Fsica investiguemos 10