PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA
TERMODINAMICA
CONCEPTO: Es la ciencia
que estudia la conversión del calor en trabajo o en proceso inverso, la
conversión de trabajo en calor.
CONSERVACIÓN DE ENERGÍA
CONCEPTO: La energía no
puede crearse o destruirse, solo transformarse de una forma a otra.
PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA
CONCEPTO: Establece que,
si una cantidad de calor ∆Q fluye
dentro de un sistema, entonces esta energía debe aparecer como un incremento de la energía interna ∆U del sistema y/o como un
trabajo ∆W efectuado por el sistema sobre sus alrededores.
La primera ley de
la termodinámica es simplemente una nueva exposición del principio de la conservación de la energía.
La energía no puede
crearse o destruirse, solo transformarse de una forma a otra.
Al aplicar esta ley a un proceso termodinámico, la ecuación es:
∆Q = ∆U + ∆W (1)
∆Q = Calor neto, expresado en
calorías (Cal) o Joules (J).
∆U = Cambio de la energía
interna, expresado en calorías (Cal) o Joules (J).
∆W = Trabajo neto, expresado
en calorías (Cal) o Joules (J).
La ecuación de la Primera Ley
de la Termodinámica dice: En cualquier proceso termodinámico, el calor neto absorbido por un sistema
es igual a la suma del trabajo neto que este realiza y el cambio de su energía
interna.
∆U = Q - W (2)
∆U = Variación de la energía
interna del sistema expresada en calorías (Cal) o Joules (J).
Q = Calor
que entra o sale del sistema medido en calorías (Cal) o Joules (J).
W = Trabajo efectuado por el sistema o trabajo
realizado sobre este expresado en calorías (Cal) o Joules (J).
1 cal =
4,187 J
Cuando se aplica la primera ley de la termodinámica es preciso reconocer que
el calor Q suministrado en un sistema es positivo y el que expulsa o pierde el
sistema, negativo. El trabajo que realiza un sistema es positivo; el que se
hace sobre el sistema, negativo. Un aumento de la energía interna es positivo;
una disminución, negativa. En la figura
20.3 se resumen tales convenciones.
Figura 20.3 Convención de signos de la primera ley de la termodinámica.
Fuente:
TIPPENS Paul E. Física, Conceptos y Aplicaciones. Página, 406.
Describimos las relaciones de
energía de cualquier proceso termodinámico en términos de la cantidad de calor
Q agregada al sistema y el trabajo W realizado por él. Tanto Q como W pueden
ser positivos, negativos o cero. (Figura
19.3). Un valor positivo de Q representa flujo de calor hacia el sistema,
con un suministro de energía correspondiente; un Q negativo representa flujo de
calor hacia afuera del sistema. Un valor positivo de W representa trabajo
realizado por el sistema contra el entorno, como el de un gas en expansión y,
por lo tanto, corresponde a la energía que sale del sistema. Un W negativo,
como el realizado durante la compresión de un gas, cuando el entorno realiza trabajo
sobre el gas, representa energía que entra en el sistema.
Figura 19.3 Un sistema termodinámicos podría intercambiar energía en su
entorno (ambiente) mediante calor, trabajo o ambos.
Fuente:
SEARS SEMANSKY. Física Universitaria. Página, 647.
Nota: Tenga en cuenta el signo del trabajo ∆W. Note que nuestra regla de signo
para el trabajo es opuesta a la que usamos en mecánica, donde siempre hablamos
del trabajo realizado por las fuerzas que actúan sobre un cuerpo. En
termodinámica, suele ser más conveniente tomar ∆W como el trabajo efectuado por el sistema, de modo que cuando un
sistema se expanda, la presión, el cambio de volumen y el trabajo sean todos
positivos.
TIPOS DE PROCESOS TERMODINÁMICOS
En esta sección, describiremos cuatro clases específicas
de procesos termodinámicos que se dan con frecuencia en situaciones prácticas y
que podemos resumir como “sin
transferencia de calor” o
adiabáticos, “a volumen constante”
o isocóricos, “a presión constante” o
isobáricos, y “a temperatura
constante” o isotérmicos. Con
algunos de ellos, podremos usar una versión simplificada de la primera ley de
la termodinámica.
Tipos de procesos termodinámicos:
a) Proceso Isobáricos
b) Proceso Adiabáticos
c) Proceso Isocóricos
d) Proceso Isotérmico
PROCESO ISOBÁRICOS
CONCEPTO: Es un proceso
termodinámico que sucede a presión constante.
Consideramos
primero el trabajo efectuado por el Gas cuando se dilata una presión constante (P = F/A). La fuerza F
ejercida por el gas sobre el émbolo será igual al producto de la presión P por el área A del émbolo.
F = PA
El trabajo equivale al producto de la fuerza por el
desplazamiento paralelo. Si el embolo se mueve hacia arriba a lo largo de una
distancia ∆X, el trabajo realizado es:
∆W = F∆x = (PA) ∆x
El aumento de volumen ∆V del gas es simplemente A
∆x, así que podemos reordenar los
factores de arriba para determinar que el trabajo hecho por un gas que se
dilata a presión constante está dado por:
∆W = P∆V (3)
El trabajo neto
es igual al producto de la presión constante por el cambio de volumen. El cambio de volumen ∆V es el valor final menos el inicial. De modo que una disminución del
volumen resulta en trabajo negativo, en tanto que un aumento en trabajo
positivo.
Cuando un
proceso termodinámico implica cambios en el volumen, en la presión o en ambos
factores, el trabajo realizado por el sistema es igual al área bajo la curva en
un diagrama P-V.
Área = P (V2 – V1) = P ∆V
Figura 20.3 (a) Cálculo del trabajo realizado por un gas que se dilata
a presión constante. (b) El trabajo es igual al área de la curva en un diagrama
P-V.
Fuente:
TIPPENS Paul E. Física, Conceptos y Aplicaciones. Página, 407.
PROCESO ADIABÁTICOS
CONCEPTO: Un
proceso adiabático es aquel en el que no hay intercambio de energía térmica ∆Q entre un sistema y sus alrededores.
Al aplicar la primera ley a un proceso en el que ∆Q = 0 se obtiene:
∆W = - ∆U Adiabático (4)
La ecuación (4) nos muestra que en todo proceso
adiabático, el trabajo se realiza a costa de la energía interna. Generalmente,
la disminución de energía térmica va a acompañada de un descenso en la
temperatura.
Como ejemplo de un proceso adiabático, considere la figura 20.7, donde un émbolo se eleva
por la acción de un gas que se expande. Si las paredes del cilindro se aíslan y
la dilatación ocurre con rapidez, el proceso será aproximadamente adiabático. A
medida que el gas expande, efectúa un trabajo sobre el embolo pero pierde
energía interna y experimenta una caída en la temperatura. Si el proceso se
invierte forzando el embolo a descender, entonces el trabajo se realizara sobre
el gas (-∆W) y habrá un incremento en la
energía interna (∆U), de modo que:
-∆W = + ∆U
Figura 20.7 En un proceso adiabático no hay transferencia de calor y el
trabajo de lleva a cabo a costa de la energía interna.
Fuente: TIPPENS
Paul E. Física, Conceptos y Aplicaciones. Página, 410.
Otro
ejemplo de un proceso adiabático que es útil en el ramo de la refrigeración
industrial es el que se conoce como proceso
de estrangulación.
PROCESO DE ESTRANGULACIÓN: es aquel en el que el fluido
a alta presión se filtra adiabáticamente, ya sea a través de una pared porosa o
de una abertura estrecha, hacia una región de baja presión.
Figura 20.8 El proceso de
estrangulación.
Fuente: TIPPENS
Paul E. Física, Conceptos y Aplicaciones. Página, 411.
Considere
un gas que circula, impulsado por una bomba, a través del aparato ilustrado en
la figura 20.8. El gas que proviene
del lado de la bomba donde la presión es alta es forzado a cruzar una
constricción estrecha, llamada válvula de estrangulación, para pasar al lado de
presión baja. La válvula está perfectamente aislada, de modo que el proceso es
adiabático y AQ = 0. De acuerdo con
la primera ley, AW = - ∆W, y el trabajo
neto realizado por el gas al pasar a través de la válvula se efectúa a expensas
de la energía interna. En refrigeración, un líquido refrigerante sufre una
caída de temperatura y una vaporización parcial como resultado del proceso de
estrangulamiento.
PROCESO ISOCÓRICOS
CONCEPTO: Es aquel en que el volumen del sistema permanece
constante.
El proceso isocorico o también es
conocido como proceso Isovolumetrico porque no puede haber cambio de
volumen sin la realización del trabajo.
Al
aplicar la primera ley a un proceso en el que ∆W = 0 se obtiene:
∆Q = ∆U Isocórico (5)
Por tanto, en un proceso isocórico
toda la energía térmica absorbida por un sistema incrementa su energía interna.
En este caso, generalmente hay un incremento en la temperatura del sistema.
Un proceso isocórico se presenta
cuando se calienta agua en un recipiente a volumen fijo, como se muestra en la figura 20.9. A medida que se suministra
calor, el aumento de la energía interna resulta en una elevación de la
temperatura del agua hasta que empieza a hervir. Si se continúa incrementando
la energía interna, se pone en marcha el proceso de vaporización. Sin embargo,
el volumen del sistema, formado por el agua y su vapor, permanece constante y
no se realiza trabajo externo.
Cuando se retira la flama, el
proceso se invierte a medida que el calor deja el sistema a través del fondo
del cilindro. El vapor de agua se condensará y la temperatura del agua resultante
descenderá hasta igualar la temperatura ambiente. Este proceso representa una
pérdida de calor y el correspondiente descenso de la energía interna, pero,
nuevamente, no se realiza trabajo.
Figura 20.9 En un proceso
isocórico, el volumen del sistema (agua y vapor) permanece constante.
Fuente: TIPPENS Paul E. Física, Conceptos y
Aplicaciones. Página, 412.
PROCESO ISOTÉRMICO
CONCEPTO: Es aquel en aquel en que la temperatura del
sistema permanece constante.
Es posible que la presión y el volumen de un gas varié sin que cambie la
temperatura.
Un gas puede comprimirse en un cilindro de forma tan lenta que
prácticamente permanece en equilibrio térmico con sus alrededores. La presión
aumenta a medida que el volumen disminuye, pero la temperatura es prácticamente
constante.
Si no hay cambio de fase, una
temperatura constante indica que no hay cambio en la energía interna del
sistema. Al aplicar la primera ley a un proceso en el que ∆U = 0 se obtiene:
∆Q = ∆W Isotérmico (6)
Por tanto, en un proceso
isotérmico toda la energía absorbida por un sistema se convierte en trabajo de
salida.
SIMBOLOGÍA
∆Q = Calor neto (J)
∆U = Cambio de la energía interna (J)
∆W = Trabajo neto (J)
J = Jolues (Nm)
∆X = Desplazamiento (m)
P = Presión (N/m2)
A = Área (m2)
F = Fuerza (N)
BIBLIOGRAFÍA
§
TIPPENS Paul E. Física, Conceptos y Aplicaciones.
Página, 403-412 y 421-423.
§ SEARS Semansky. Física
Universitaria. Página, 647.
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