La Primera Ley de la Termodinámica

Habilidades para Desarrollar

• Desarrollar aplicaciones de la Primera Ley de la Termodinámica
• Calcular la energía interna y elaborar los resultados

La Primera Ley de la Termodinámica es equivalente a la ley de conservación de la energía, que aquí se describió anteriormente. Sin embargo, en lugar de describir un sistema en el que la energía cambia de forma (KE a PE y atrás) pero la cantidad total no cambia, ahora describiremos un sistema en el que la energía puede entrar y salir. Las 2 formas en que puede hacer esto son el trabajo y el calor.

Imagínese que tenemos un sistema que está aproximadamente aislado, como un termo de agua, y trabajamos en él de diversas maneras. Primero usamos la energía de un peso que cae para mezclarlo muy vigorosamente, y vemos qué pasa con la temperatura del sistema. Después pasamos algo de corriente eléctrica a través de una resistencia sumergida en el sistema, y vemos qué pasa con la temperatura del sistema. Y observamos que la misma cantidad de trabajo siempre eleva la temperatura la misma cantidad. Si hacemos los mismos experimentos en una taza de agua que no está aislada como el termo (pero por lo demás es lo mismo), encontramos que la temperatura no aumenta tanto cuando hacemos la misma cantidad de trabajo sin el termo aislante. A medida que el sistema se calentaba, algo de energía se movía del sistema a los alrededores. Sin el termo, el calor sale del sistema cuando hace más calor que el entorno, por lo que tenemos que hacer más trabajo para conseguir el mismo aumento de temperatura.

La energía es la capacidad de hacer el trabajo. Cualquier sistema puede hacer trabajo. Quizás pueda calentar un gas, haciendo que se expanda contra una fuerza, o caiga, comprimiendo un resorte, etc. pero la capacidad de un sistema aislado para hacer trabajo no cambiará. Por ejemplo, si usamos un sistema para hacer el trabajo, entonces esperar mucho tiempo, el sistema no recuperará su capacidad original para hacer el trabajo. Más concretamente, si utilizamos un peso que cae para hacer algún otro trabajo, como levantar otro peso o conducir un motor, el peso no podrá hacer más trabajo hasta que lo levantemos a su altura original. No volverá a flotar por sí sola, lista para volver a caer. Si usamos un bloque de metal muy caliente para hervir agua y accionar motores, el bloque se enfriará. Y si lo dejamos aislado y esperamos, no volverá a calentarse por sí solo para que podamos hervir más agua. La capacidad de un sistema para hacer trabajo se llama su energía interna. La energía interna de un sistema puede cambiar si el trabajo se realiza en o por el sistema, o si el calor entra o sale del sistema. Si no se realiza ningún trabajo y no fluye calor, entonces la energía interna del sistema no puede cambiar. Podemos escribir esto como una ecuación:

\[\Delta E=q+w\]

donde ΔE es el cambio en la energía interna (algunas personas usan U en su lugar), q es calor y w es trabajo. El calor q es positivo cuando fluye hacia el sistema, y negativo cuando fluye hacia afuera. El trabajo w es positivo cuando se hace al sistema y negativo cuando lo realiza el sistema. (En realidad, algunas personas usan los signos opuestos para el trabajo, en cuyo caso la ecuación es e=q-w) Esto debería tener sentido. La energía interna del sistema aumenta cuando colocamos energía; disminuye cuando sacamos energía.

Molecularmente, la energía interna significa toda la energía cinética y potencial de cada partícula en el sistema. La energía interna es una función de estado, como la temperatura y la presión. El trabajo y el calor no son funciones estatales: dependen de procesos. No se puede mirar a un objeto y determinar cuánto trabajo o calor tiene porque eso no tiene sentido, pero se puede medir cuál es su temperatura, cuál es su volumen y cuál es su energía interna.

Enlaces externos

• Khan Academy: Primera Ley de la Termodinámica (18 min)
• Khan Academy: Más sobre energía interna (14 min)
• Khan Academy: Trabajo desde la expansión (13 min)
• CrashCourse Química: Energía y Química (9 min)

Colaboradores y Atribuciones

• Emily V Eames (City College of San Francisco)