Primera ley de la termodinámicaLa primera ley de la termodinámica o Primer Principio de la termodinámica es una aplicación de la ley universal de conservación de la energía a la termodinámica y, a su vez, identifica el calor como una transferencia de energía. Uno de los enunciados de la primera ley de la termodinámica es el siguiente:

Donde es el incremento de energía interna del sistema, es el calor cedido al sistema, y es el trabajo cedido por el sistema a sus alrededores

El primer principio de la termodinámica es una ley empírica que no puede demostrarse teóricamente.

DescripciónLa forma de transferencia de energía común para todas las ramas de la física y ampliamente estudiada por éstas 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 iniciales 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 energía particular, propiamente termodinámica, que es debida únicamente a que los sistemas se encuentren a distintas temperaturas (es algo común en la termodinámica catalogar el trabajo como toda trasferencia de energía que no sea en forma de calor). Los hechos experimentales corroboran que este tipo de transferencia también depende del proceso y no sólo 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:

Así, 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

Antes de aplicar la primera ley de la termodinámica a sistemas específicos, es útil definir primero algunos procesos termodinámicos idealizados. Un proceso adiabático es aquel durante el cual no entra ni sale energía del sistema por calor; Q = 0. Un proceso adiabático se puede lograr al aislar térmicamente las paredes del sistema o al realizar el proceso rápidamente de modo que haya un tiempo despreciable para que la energía se transfiera por calor. Al aplicar la primera ley de la termodinámica a un proceso adiabático se obtiene:

Δ U=W (proceso adiabático)Este resultado muestra que si un gas se comprime adiabáticamente de modo que W sea positivo, en tal caso Δ U es positivo y la temperatura del gas aumenta. Por lo contrario, la temperatura de un gas disminuye cuando el gas se expande adiabáticamente.Los procesos adiabáticos son muy importantes en la práctica ingenieril. Algunos ejemplos comunes son la expansión de los gases calientes en un motor de combustión interna, la licuefacción de los gases en un sistema de enfriamiento y la carrera de compresión en un motor diésel.

Un proceso que se presenta a presión constante se llama proceso isobárico, en tal proceso, los valores del calor y el trabajo por lo general son distintos de cero. El trabajo consumido en el gas en un proceso isobárico es simplemente

W = -P (Vf - Vi)La Primera Ley de la Termodinámica, para este caso, queda expresada como sigue

Un proceso que tiene lugar a volumen constante se llama proceso isovolumétrico, ya que el volumen del gas no cambia en tal proceso, W = 0.Por tanto, a partir de la primera ley se ve que, en un proceso isovolumetrico:

Esta expresión especifica que si se agrega energía mediante calor a un sistema que se mantiene a volumen constante, toda la energía transferida permanece en el sistema como un aumento en su energía interna.

Un proceso que se presenta a temperatura constante se llama proceso isotérmico, En consecuencia, en un proceso isotérmico que involucra un gas ideal, Δ U= 0. Para un proceso isotérmico, se concluye de la primera ley que la transferencia de energía Q debe ser igual al negativo del trabajo consumido en el gas; es decir, Q =-W. Cualquier energía que entra al sistema por calor se transfiere afuera del sistema por trabajo; como resultado, en un proceso isotérmico no ocurre cambio en la energía interna del sistema.

Procesos cíclicos y sistemas aisladosVale la pena mencionar dos casos especiales de la primera ley de la termodinámica.Un proceso que tarde o temprano vuelve un sistema a su estado inicial es un proceso cíclico. En un proceso así, el estado final es el mismo que el inicial, así que el cambio total de energía interna debe ser cero. Entonces,

U2 =U1 y Q = W

Si el sistema realiza una cantidad neta de trabajo W durante este proceso, deberá haber entrado en el sistema una cantidad igual de energía como calor Q. Pero no es necesario que Q o W individualmente sean cero

Otro caso especial se da en un sistema aislado, que no realiza trabajo sobre su entorno ni intercambia calor con él. Para cualquier proceso que se efectúa en un sistema aislado:

W =Q = 0Y, por lo tanto:

U2 = U1 = ΔU = 0

Cambios infinitesimales de estadoConsideraremos cambios infinitesimales de estado donde se agrega una cantidad pequeña de calor dQ al sistema, éste efectúa poco trabajo dW y la energía interna cambia en dU. En un proceso así, expresamos la primera ley en su forma diferencial:

dU = dQ - dW