Termodinámica
La
termodinámica es la parte de la física que se encarga de la relación entre el
calor y el trabajo.
Tanto
el calor como
el trabajo son modos
en que los cuerpos y los sistemas transforman su energía. Esto permite
establecer un equivalente mecánico
del calor. ejemplos:
De
trabajo mecánico a calor: Frota dos bloques de hielo, y comprobarás que se
derriten, aún cuando estés en una camara frigorífica a una temperatura menor de 0 ºC
De
calor a trabajo mecánico: En una máquina de vapor,la expansión del vapor de
agua que se calienta produce el desplazamiento del pistón.
Trabajo
y calor son
métodos de transferencia de energía. Utilizan la misma unidad de medida en el
Sistema Internacional, el joule ( J ). Además, es habitual utilizar la
caloría ( cal ) para medir el calor. La conversión
entre calorías y joule viene dada por:
1 cal = 4.184 J ⇔ 1 J = 0.24 cal o (0.239006)
La
primera ley de la termodinámica relaciona el trabajo y el calor transferido
intercambiado en un sistema a través de una nueva variable termodinámica, la
energía interna. Dicha energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.
Energía
interna
La
energía interna de un sistema es una caracterización macroscópica de la energía
microscópica de todas las partículas que lo componen. Un sistema está formado
por gran cantidad de partículas en movimiento. Cada una de ellas posee:
Energía
cinética, por el hecho de encontrarse a una determinada velocidad.
Energía
potencial gravitatoria, por el hecho de encontrarse en determinadas posiciones
unas respecto de otras.
Energía
potencial elástica, por el hecho vibrar en el interior del sistema.
Primera
ley de la termodinámica.
La primera ley de la termodinámica establece
una relación entre la energía interna del sistema y la energía que intercambia
con el entorno en forma de calor o trabajo.
La primera ley de la
termodinámica determina
que la energía interna de un sistema aumenta cuando se le transfiere calor o se
realiza un trabajo sobre él. Su expresión depende del criterio
de signos para sistemas termodinámicos elegido:
Donde:
∆U : Incremento de energía interna del sistema ( ∆U = Ufinal - Uinicial ). Su unidad de medida en el Sistema
Internacional es el julio ( J )
Q : Calor intercambiado por
el sistema con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es
el julio ( J ), aunque también se suele usar la
caloría ( cal ). 1 cal = 4.184 J
W : Trabajo intercambiado por
el sistema con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema Internacional
es el julio ( J )
Formulas.
En su forma matemática más
sencilla se puede escribir para cualquier sistema cerrado:
ΔU = Q-W
Donde:
ΔU es la variación de
energía en el sistema.
Q es el calor intercambiado
por el sistema a sus alrededores a través de unas paredes bien definidas.
W es el trabajo
intercambiado por el sistema en sus alrededores.
Al igual que todos los principios de la
termodinámica, el primer principio se basa en sistemas en equilibrio.
Por otro lado, es probable que hayas oído más
de una vez que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.
Se trata del principio general de conservación de la energía. Pues bien, la
primera ley de la termodinámica es la aplicación a procesos térmicos de este
principio. En un sistema aislado, en el que no se intercambia energía con el
exterior, nos queda:
∆U=0
El universo en su totalidad se podría
considerar un sistema aislado, y por tanto, su energía total permanece
constante.
Finalmente observa que, al ser una función de
estado, la diferencia de
energía interna solo depende de los estados inicial y final.
Segunda ley de termodinamica
El segundo principio de la
termodinámica establece que, si bien todo el trabajo mecánico puede
transformarse en calor, no todo el calor puede transformarse en trabajo mecánico.
La ley cero de la
termodinámica
establece que si un
cuerpo A se encuentra a la misma temperatura que un cuerpo B y este tiene la
misma temperatura que un tercer cuerpo C, entonces, el cuerpo A tendrá la misma
temperatura que el cuerpo C. Por lo cual estaremos seguros de que tanto el
cuerpo A, como el B y C, estarán los tres, en equilibrio térmico. Es decir: los
cuerpo A, B y C, tendrán igual temperatura.
Se dice que dos cuerpos están en equilibrio
térmico cuando, al ponerse en contacto, sus variables de
estado no cambian. En torno a esta simple idea se establece la ley cero.
La ley
0 de la termodinámica establece que, cuando dos cuerpos están en
equilibrio térmico con un tercero, estos están a su vez en equilibrio térmico
entre sí.
