PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

1-Primera ley de la termodinámica: También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica «en realidad el primer principio dice más que una ley de conservación», establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. En pocas palabras: "La energía ni se crea ni se destruye: Solo se transforma".

La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:

Donde:

• U:es la energía interna del sistema (aislado),

• Q: es la cantidad de calor aportado al sistema y

• W: es el trabajo realizado por el sistema.

2- Primera ley de termodinámica para un sistema que experimenta un ciclo:

La primera ley para un sistema que cumple con un ciclo se define como:

Donde:

• Q viene expresado en kcal y

• W en kJoule

• J es la constante de proporcionalidad y representa 0.2389 kJ/kcal.

Para entender mejor esta ecuación, en la siguiente figura muestra un sistema cerrado a volumen constante que cumple con un ciclo, es decir va desde unas condiciones P1, T1 hasta unas condiciones P2, T2 regresando nuevamente a las condiciones iniciales P1,T1.Durante el ciclo se produce transferencia de calor y de trabajo.

 Sistema cerrado a volumen constante que cumple con un ciclo:

Si se expresa tanto el calor como el trabajo en kJoule, la ecuación anterior se puede escribir de la siguiente forma:

Esta ecuación dice simplemente que la suma de todos los calores es igual a la suma de todos los trabajos que atraviesan un sistema cuando éste cumple con un ciclo. Esta suma de calores y trabajos, debe hacerse en forma algebraica es decir, debe tomarse en cuenta los signos tanto de los trabajos como de los calores.

3-Primera ley para un sistema que cumple con un cambio de estado:

Energía almacenada en un sistema (E): Esta energía puede estar presente en una variedad de formas:

• Energía Cinética (EC): Debida al traslado de las moléculas. EC

• Energía Potencial (EP): Debida a las acciones mutuas de atracción o de repulsión entre las moléculas.

• Energía Interna (U): Esta asociada con la estructura interna de la materia.

De esta forma se puede expresar la energía almacenada, como la suma de la energía cinética, la energía potencial y la energía interna.

Para enunciar la primera ley para un sistema que cumple con un cambio de estado, se considera el siguiente sistema mostrado en la siguiente figura:

 Sistema cerrado que cumple con un cambio de estado.

Este sistema posee inicialmente una energía almacenada E1, pero debido a una interacción con el medio exterior, el sistema es obligado a cambiar a otro estado en donde la energía almacenada es E2. Haciendo un balance de energía, se puede decir que la energía almacenada E2, debe ser igual a la suma de la energía almacenada E1 más la energía que entra al sistema menos la energía que sale del sistema. Este balance se puede escribir de la siguiente forma:

El signo negativo que acompaña al calor Qs, es el signo que le corresponde por ser un calor que sale, mientras el signo negativo que acompaña al trabajo We, es el signo que le corresponde por ser trabajo que entra.

En general, la ecuación anterior se puede escribir como:

Esta ecuación corresponde a la primera ley para un sistema cerrado que cumple un cambio de estado. Cuando se haga la sustitución de los calores y los trabajos en las sumas, se debe tomar en cuenta la convención de signos escogida.

Tanto la energía almacenada E, como la energía interna U, son propiedades y como tales se evalúan dentro del sistema. Tienen como unidades las mismas unidades del calor y el trabajo pero no se evalúan en los límites del sistema.

4.- Energía interna: La magnitud que designa la energía almacenada por un sistema de partículas se denomina energía interna (U). La energía interna es el resultado de la contribución de la energía cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen, de sus energías de rotación, traslación y vibración, además de la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear.

La energía interna es una función de estado: su variación entre dos estados es independiente de la transformación que los conecte, sólo depende del estado inicial y del estado final.

5-Entalpía: Simbolizada generalmente como H” también llamada contenido de calor, y medida en la unidad “Btu”/lb”, y KJ/kg en el sistema internacional), Es una función de estado que solo depende de los estado inicial y final, que se define como la suma de la energía interna de un sistema termodinámico y el producto de su volumen multiplicado por la presión. La entalpia total e un sistema no puede ser medida directamente, al igual que la energía interna, en cambio, la variación de entalpia de un sistema si puede ser medida experimentalmente. La entalpia se define mediante la siguiente ecuación:

H= U+PV

6-Calor específico a presión constante y a volumen constante:

 Calor específico a volumen constante: Se obtiene midiendo el calor específico en un proceso a volumen constante.

 Calor específico a presión Constante: Se obtiene midiendo el calor específico en un proceso a presión constante

7-Energía interna, entalpía y calores específicos de gases ideales:

Para un gas que verifica el modelo del gas ideal, la energía interna especifica, depende solo de la temperatura. Por consiguiente el calor específico es también una función de la temperatura únicamente. Es decir:

Esto se expresa como una derivada total de u depende solo de T. separando variables

Integrando,

De modo similar, para un gas que obedece el modelo para un gas ideal, la entalpia específica depende solo de la temperatura, así como también el calor específico Cp, es una función de la temperatura únicamente.

Separando las variables de la Ecu. 4

Integrando,

En esta ecuación:

Introduciendo las Ecuación. 1 y 4

En base molar esto se escribe

Aunque cada uno de los

...