Primera Ley De La Termodinamica

Primera ley de la termodinámica:

En el siglo XIX Joule realizo experimentos, donde tomo muchas precauciones para asegurar la exactitud. En la serie de mediciones, coloco cantidades conocidas de agua en un contenedor aislado y agito el agua con un agitador giratorio. La cantidad de trabajo hecha sobre el agua, por el agitador fue medida con exactitud, anotándose, con cuidado los cambios de temperatura del agua. Encontró que se necesitaba una cantidad fija de trabajo por unidades de masa de agua por cada grado de aumento en la temperatura provocado por el agitador y que la temperatura original podía restablecer por la transferencia de calor a través del contacto con un objeto más frío, con lo cual demostró que existía una relación cuantitativa entre trabajo y calor (Smith, 1997). Dicha relación estable que durante cualquier ciclo al cual este sujeto el sistema, la integral cíclica de calor es proporcional a la integral cíclica de trabajo (Gordon 1979).

(4.1)

Consideremos ahora un sistema que sufre un ciclo, cambiando del estado 1 al estado 2 de un proceso A, y que vuelve del estado 2 al estado 1, por el proceso B. Este ciclo se muestra en la figura 4.1 en un diagrama presión volumen

Considerando los dos procesos separados tenemos que

Ahora consideremos otro ciclo, con el que el sistema cambia del estado 1 al estado 2 por el proceso A, como antes, pero volviendo al estado 1 por el proceso C

Restando la primera ecuación de la primera:

Tal que

(4.2)

Puesto que los procesos A y B son arbitrarios es posible decir que la cantidad es la misma para todos los procesos entre los estados 1 y 2. Por lo tanto esta cantidad depende solo de los estados iniciales y final, y no de la trayectoria seguida. Esta propiedad es la energía del sistema , de tal forma que

(4.3)

El significado de es que esta representa toda la energía del sistema dado

(4.4)

Donde U es la energía interna (la suma de las energías a nivel microscópico del sistema), EC es la energía cinética del sistema y EP la energía potencial del sistema (Gordon, 1979).

La ecuación 4.3 es conocida como la primera ley de la termodinámica que puede establecerse como sigue: Durante una interacción entre un sistema y sus alrededores, la cantidad de energía ganada por el sistema deben ser exactamente a la energía perdida por sus entorno (Cengel, 2005).

En experimentos tales como los efectuados por Joule, se añade energía al agua como trabajo, pero se extrae de ésta como calor. Con esto surge la pregunta de qué es lo que le sucede a la energía entre el momento en que se añade al agua como trabajo y el momento en que se extrae como calor. La lógica sugiere que esta energía se encuentra contenida en el agua, en otra forma, la cual se define como energía interna U (Smith, 1997).

Para un sistema donde no hay cambios respecto al marco de referencia inercial es decir donde la energía cinética a nivel macroscópico, y la energía potencial son despreciables, y además existes ausencia de efectos externos, como magnetismo, tensión superficial, etc. La primera ley de la termodinámica se puede escribir:

(4.5)

Ecuación del gas ideal:

(4.6)

Se consideran algunos procesos termodinámicos:

Proceso isocórico: Se lleva a cabo a volumen constante y es mecánicamente reversible

Proceso isobárico: Se lleva a cabo a presión constante donde no hay flujo y es mecánicamente reversible

Proceso a isotérmico: Donde la energía interna de un gas ideal no puede cambiar, ya que la temperatura se mantiene constante

Proceso adiabático reversible: No existe transferencia de calor entre el sistema y sus alrededores.

Proceso politrópico: Se cumple la siguiente relación 〖PV〗^δ=K , donde

...