6.6: Energía Potencial, Cinética, Libre y de Activación - La Primera Ley de la Termodinámica

Objetivos de aprendizaje

• Describir la primera ley de la termodinámica

La termodinámica es el estudio de la energía térmica y otros tipos de energía, como el trabajo, y las diversas formas en que la energía se transfiere dentro de los sistemas químicos. “Thermo-” se refiere al calor, mientras que “dinámica” se refiere al movimiento.

La Primera Ley de la Termodinámica

La primera ley de la termodinámica se ocupa de la cantidad total de energía en el universo. La ley establece que esta cantidad total de energía es constante. Es decir, siempre ha habido, y siempre habrá, exactamente la misma cantidad de energía en el universo.

La energía existe en muchas formas diferentes. Según la primera ley de la termodinámica, la energía puede transferirse de un lugar a otro o cambiarse entre distintas formas, pero no puede crearse ni destruirse. Las transferencias y transformaciones de la energía ocurren a nuestro alrededor todo el tiempo. Por ejemplo, las bombillas transforman la energía eléctrica en energía luminosa y las estufas de gas transforman la energía química del gas natural en energía térmica. Las plantas realizan una de las transformaciones de energía más útiles biológicamente en la Tierra: convierten la energía de la luz solar en la energía química almacenada dentro de las moléculas orgánicas.

Figura\(\PageIndex{1}\): La primera ley de la termodinámica: Se muestran dos ejemplos de energía que se transfiere de un sistema a otro y se transforma de una forma a otra. Los humanos pueden convertir la energía química en los alimentos, como este cono de helado, en energía cinética al andar en bicicleta. Las plantas pueden convertir la radiación electromagnética (energía luminosa) del sol en energía química.

El Sistema y Alrededores

La termodinámica a menudo divide el universo en dos categorías: el sistema y su entorno. En química, el sistema casi siempre se refiere a una reacción química dada y al contenedor en el que tiene lugar. La primera ley de la termodinámica nos dice que la energía no puede crearse ni destruirse, por lo que sabemos que la energía que se absorbe en una reacción química endotérmica debe haberse perdido del entorno. Por el contrario, en una reacción exotérmica, el calor que se libera en la reacción es desprendido y absorbido por el entorno. Dicho matemáticamente, tenemos:

ΔE=ΔE _sys +ΔE _surr =0

Figura\(\PageIndex{1}\): El sistema y el entorno: Un diagrama básico que muestra la distinción fundamental entre el sistema y su entorno en termodinámica.

Calor y Trabajo

Sabemos que los sistemas químicos pueden absorber calor de su entorno, si la reacción es endotérmica, o liberar calor a su entorno, si la reacción es exotérmica. Sin embargo, las reacciones químicas a menudo se utilizan para hacer el trabajo en lugar de simplemente intercambiar calor. Por ejemplo, cuando se quema combustible para cohetes y hace que un transbordador espacial despegue del suelo, la reacción química, al propulsar el cohete, está trabajando aplicando una fuerza sobre una distancia.

Si alguna vez has presenciado un video de un transbordador espacial despegando, la reacción química que ocurre también libera enormes cantidades de calor y luz. Otra forma útil de la primera ley de la termodinámica relaciona el calor y el trabajo para el cambio de energía del sistema interno:

ΔE _sys =Q+W

Si bien esta formulación se usa más comúnmente en física, aún es importante conocerla para la química.

Figura\(\PageIndex{1}\): Lanzamiento del cohete: La poderosa reacción química que propulsa al cohete deja escapar un tremendo calor a los alrededores y también funciona en los alrededores (el cohete).

Puntos Clave

• Según la primera ley de la termodinámica, la cantidad total de energía en el universo es constante.
• La energía puede transferirse de un lugar a otro o transformarse en diferentes formas, pero no puede crearse ni destruirse.
• Los organismos vivos han evolucionado para obtener energía de su entorno en formas que pueden transferir o transformar en energía utilizable para hacer el trabajo.

Términos Clave

• primera ley de la termodinámica: Una versión de la ley de conservación de la energía, especializada para sistemas termodinámicos, que establece que la energía de un sistema aislado es constante y no puede crearse ni destruirse.
• trabajo: Una medida de la energía gastada al mover un objeto, generalmente considerada como fuerza por distancia. No se realiza ningún trabajo si el objeto no se mueve.