Primera Ley De La Termodinámica

1. Ley Cero y Escalas de T y p

Si una sustancia 1 cuya función f (p 1 ,V 1 ) define una temperatura T 1 , y que está

en equilibrio térmico con una sustancia 2, tendremos:

f (p 1 ,V 1 ) = f (p 2 ,V 2 )

Y si la sustancia 1 también está en equilibrio térmico con una tercera

sustancia:

f (p 1 ,V 1 ) = f (p 3 ,V 3 )

Entonces, se concluye que:

f (p 2 ,V 2 ) = f (p 3 ,V 3 )

Ley Cero “Si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, entonces

los tres cuerpos estarán en equilibrio térmico entre sí”.

Una consecuencia de la “ley cero” permite deducir que si las tres

sustancias están en equilibrio térmico, se puede decir que poseen una

propiedad en común. A esta propiedad o función se la denomina “temperatura”,

que es una propiedad intensiva, puesto que no depende de la cantidad de

sustancia considerada. Por ende, la temperatura es la propiedad que se utiliza

para determinar si un sistema está en equilibrio térmico con otro(s). De esta

forma, es posible determinar una escala de temperatura, y uno de los grandes

triunfos de la termodinámica fue la demostración que existe un cero absoluto

de temperatura (ver Tercera Ley). No obstante hay que recordar que existen

diferentes tipos de escalas de temperatura:

Escala Kelvin de Temperatura

La escala Kelvin tiene el cero absoluto 0[K] y un valor de 273.16 [K] para

el punto triple del sistema H 2 O, en el cual coexisten en equilibrio 3 fases: hielo,

agua y vapor de agua. El punto de fusión del hielo (o congelación del agua) es

273.15 [K], mientras que la temperatura de ebullición del agua (o condensación

del vapor) es de 373.15 [K].

GL42A, Primavera 2007, MReich

Escala Celsius de Temperatura

Esta escala da un valor de 0 [ºC] para el punto de fusión de hielo

(273.15[K]) y un valor de –273.15 [ºC] para el cero absoluto (0 [K]). En la escala

Celsius existen 100 grados de diferencia entre los puntos de congelación y

ebullición del agua a 1 [atm] de presión. Se puede establecer entonces la

siguiente ecuación de conversión entre escalas:

T [K] = t [ºC] + 273.15 (1)

• Es de vital importancia recordar que todas las relaciones termodinámicas

utilizan la temperatura en escala Kelvin, de modo que la condición “estándar”

de temperatura es 278.15 [K] (25 [ºC]).

p [atm]

100 [ºC]

1

Diagrama de Fases del H 2 O

hielo agua

vapor

T [K]

273.15 273.16 373.15

Escalas de Presión

La presión se define como fuerza por unidad de superficie (p = F/s). La

fuerza (F) se expresa en Newton (1 Newton [N] = 1 [kg.m.s -2 ]) , y la superficie

en metros cuadrados. La unidad SI de presión es el Pascal, definido por:

1 Pascal [Pa] = 1 [N.m -2 ]

Otras unidades:

1 bar [bar] = 10 5 [Pa]

1 atmósfera [atm] = 1.01325 [bar] = 760 [mmHg] = 760 [Torr]

Las unidades de presión más usadas en Ciencias de la Tierra:

- el giga Pascal: 1[GPa] = 10 9 [Pa]

- el kilo bar: 1 [kbar] = 1000 [bar] = 0.1 [GPa] GL42A, Primavera 2007, MReich

2. Energía, Trabajo y Calor

El concepto de energía implica la capacidad de un cuerpo para producir

trabajo. Por ejemplo, si levantamos un objeto desde el suelo y lo ponemos

sobre una mesa, hemos realizado un trabajo físico y hemos consumido energía

al realizarlo. La energía que hemos gastado no se ha perdido, sino que ha sido

transferida al objeto, lo que se refleja en una mayor energía potencial de éste

respecto de su posición anterior. De esta forma, la energía y el trabajo están

íntimamente relacionadas, ya que podemos usar nuestra energía para producir

trabajo, y aplicar trabajo para incrementar la energía.

No obstante, la generación de trabajo no es la única manera de cambiar

la energía de un sistema y, por otro lado, un cambio de energía de un sistema

no siempre se traduce en la producción de trabajo. Podemos además cambiar la

energía del objeto en cuestión calentándolo o enfriándolo. De este modo,

debemos considerar tanto el trabajo (en todas sus formas) como el calor, como

dos formas consistentes de producir cambios energéticos. Existen diferentes

maneras de producir trabajo en un sistema, pero desde el punto de vista

termodinámico vamos a considerar el trabajo sólo como producto de los cambios

de presión (p) y volumen (V).

Los conceptos de energía, trabajo y calor son de importancia

fundamental en Termodinámica y sus definiciones deben entenderse a

cabalidad:

Energía Interna (U)

De un punto de vista microscópico, la energía interna de un sistema

corresponde a la energía total del sistema, contenida en los átomos de éste.

Puede definirse como un “contenido energético promedio por átomo”, de

acuerdo a la siguiente ecuación:

U = 0,5 f k T (2)

U es la energía interna o contenido energético promedio por átomo, f son

los grados de libertad disponibles para “invertir” energía en un átomo (f = 6

para los cristales), k es la Constante de Boltzmann y T la temperatura

absoluta. El estado energético macroscópico del sistema estará dado entonces

por el número de átomos (moles), la presión y la temperatura. Esta magnitud

absoluta es difícil de cuantificar, por lo que se miden los cambios en la energía

interna. La energía interna es función de estado, y se mide en Joules [J].

GL42A, Primavera 2007,

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