1.14.16: Energía y Primera Ley de la Termodinámica

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Page ID: 80161

Michael J Blandamer & Joao Carlos R Reis
University of Leicester & Faculdade de Ciencias

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Un axioma central de la termodinámica química es que un sistema dado tiene una propiedad llamada energía. De hecho, la Primera Ley de la Termodinámica se centra en el concepto de energía. En sus términos más amplios, la ley exige que la energía del universo sea constante [1]. Esta es una declaración bastante abrumadora. Una afirmación más atractiva es que la energía termodinámica\(\mathrm{U}\) de un laboratorio de química típico es constante.

\[\mathrm{U} = \text{ constant} \label{a}\]

Este último es el principio de conservación de la energía; la energía no puede crearse ni destruirse. Un químico 'observa' que la energía “se mueve” entre el sistema y el entorno. Como consecuencia de la Ecuación\ ref {a} afirmamos que,

\[\Delta \mathrm{U}(\text { system })=-\Delta \mathrm{U}(\text { surroundings }) \label{b}\]

No podemos conocer la energía real\(\mathrm{U}\) de un sistema cerrado aunque coincidimos en que es una propiedad extensa de un sistema. Al describir los cambios energéticos necesitamos una convención. Utilizamos la convención adquisitiva, describiendo todos los cambios en términos de cómo se ve afectado el sistema. Así\(\Delta \mathrm{U} < 0\), significa que la energía del sistema cae mientras que\(\Delta \mathrm{U} > 0\) significa que la energía aumenta [2]. En el contexto de la química, los químicos coinciden en que la energía de un sistema cerrado dado se puede incrementar de dos maneras:

el calor\(\mathrm{q}\) que pasa de los alrededores al sistema, y
trabajo\(\mathrm{w}\) realizado por los alrededores en el sistema. En un contexto más amplio, el concepto de energía se vincula con la Primera Ley de la Termodinámica que se basa en el siguiente axioma.

\[\Delta \mathrm{U}=\mathrm{q}+\mathrm{w} \label{c}\]

Tal como están los símbolos\(\mathrm{U}\),\(\mathrm{q}\) y\(\mathrm{w}\) parecen bastante poco informativos. Es tarea de los químicos concretar el significado de estos términos. Si sólo se trata de un trabajo\(\mathrm{p}-\mathrm{V}\) '',

\[\mathrm{w}=-\mathrm{p} \, \mathrm{dV} \label{d} \]

El punto de la Ecuación\ ref {c} es separar el término de trabajo del término calor. El significado para los químicos es que se\(\mathrm{q}\) vincula con la Segunda Ley de la Termodinámica. Así los químicos saben que el calor fluye espontáneamente de temperaturas altas a bajas. Este concepto de 'cambio espontáneo' se recoge con enorme impacto en la segunda ley.

Notas al pie

[1] Peter Atkins (Galile's Finger, prensa de la Universidad de Oxford, 2003, página 107) especula que la energía total del universo 'puede ser exactamente cero'.

[2] En principio es posible calcular la energía total de un sistema dado utilizando una escala en conjunto con la famosa ecuación de Einstein,\(\mathrm{E}=\mathrm{m} \, \mathrm{c}^{2}\). Sin embargo la masa correspondiente a\(1 \mathrm{~kJ}\) es sólo sobre\(10^{-14} \mathrm{~kg}\).