Diferencia entre revisiones de «Primer principio de la termodinámica»
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{{cita|En un sistema cerrado [[adiabático]] (que no hay intercambio de calor con otros sistemas o su entorno, como si estuviera aislado) que evoluciona de un estado inicial <math>\mathcal{A}</math> a otro estado final <math>\mathcal{B}</math>, el trabajo realizado no depende ni del tipo de [[trabajo (física)|trabajo]] ni del proceso seguido.}}
'''Más formalmente, este [[principio]] se descompone en dos partes;'''
* El «principio de la accesibilidad adiabática»: {{cita|El conjunto de los estados de equilibrio a los que puede acceder un [[sistema termodinámico]] cerrado es, [[proceso adiabático|adiabáticamente]], un [[conjunto simplemente conexo]].}}
* y un «[[principio de conservación de la energía]]»: {{cita|El [[trabajo (física)|trabajo]] de la conexión adiabática entre dos estados de equilibrio de un sistema cerrado depende exclusivamente de ambos estados conectados.}}
'''Este enunciado supone formalmente definido el concepto de [[trabajo (física)|trabajo termodinámico]], y sabido que los sistemas termodinámicos sólo pueden interaccionar de tres formas diferentes (interacción másica, interacción mecánica e interacción térmica). En general, el trabajo es una [[magnitud física]] que no es una variable de estado del sistema, dado que depende del proceso seguido por dicho sistema. Este hecho experimental, por el contrario, muestra que para los sistemas cerrados adiabáticos, el trabajo no va a depender del proceso, sino tan solo de los estados inicial y final. En consecuencia, podrá ser identificado con la variación de una nueva variable de estado de dichos sistemas, definida como [[energía interna]]. Se define entonces la energía interna, <math>U</math>, como una variable de estado cuya variación en un proceso adiabático es el trabajo intercambiado por el sistema con su entorno:'''
{{ecuación|<math> \Delta U = - W</math>||left}} '''(W del proceso adiabático)'''
'''Cuando el sistema cerrado evoluciona del estado inicial A al estado final B pero por un proceso no adiabático, la variación de la Energía debe ser la misma, sin embargo, ahora, el trabajo intercambiado será diferente del trabajo adiabático anterior. La diferencia entre ambos trabajos debe haberse realizado por medio de interacción térmica. Se define entonces la cantidad de energía térmica intercambiada ''Q'' (calor) como:'''
{{ecuación|<math>Q = \Delta U + W\,</math>}}
'''Siendo ''U'' la energía interna, ''Q'' el calor y ''W'' el trabajo. Por [[criterio de signos termodinámico|convenio]], Q es positivo si va del ambiente al sistema, o negativo en caso contrario y W, es positivo si es realizado ''por'' el sistema y negativo si es realizado ''sobre'' el sistema. Esta definición suele identificarse con la ley de la [[conservación de la energía]] y, a su vez, identifica el [[calor]] como una transferencia de [[energía]]. Es por ello que la ley de la conservación de la energía se utilice, fundamentalmente por simplicidad, como uno de los enunciados de la primera ley de la termodinámica:'''
{{cita|La variación de [[energía]] de un [[sistema termodinámico]] cerrado es igual a la diferencia entre la cantidad de [[calor]] y la cantidad de [[Trabajo (física)|trabajo]] intercambiados por el sistema con sus alrededores.}}
'''En su forma matemática más sencilla se puede escribir para cualquier sistema cerrado:'''
{{ecuación| <math> \Delta U = Q - W\,</math>}}
'''donde:'''
:'''<math>\Delta
:'''<math>
:'''<math> W\,</math> es el trabajo intercambiado por el sistema a sus alrededores.'''
{{VT|Criterio de signos termodinámico}}
==
'''Durante la [[década de 1840]], varios [[físico]]s entre los que se encontraban [[James Prescott Joule|Joule]], [[Helmholtz]] y [[Julius von Mayer|Meyer]], fueron desarrollando esta ley. Sin embargo, fueron primero [[Clausius]] en [[1850]] y [[William Thomson|Thomson]] (Lord Kelvin) un año después quienes escribieron los primeros enunciados formales.<ref name="Clausius1850">{{cita publicación |apellido= Clausius, R.|año= 1850|título= Über die bewegende Kraft der Wärme|publicación= Annalen der Physik und Chemie|volumen= 79|número= |páginas= 368-397, 500-524|url= http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k15164w/f384.table|doi= |fechaacceso=23 de septiembre de 2009}}</ref><ref name="Thomson1851">{{cita publicación |apellido= Thomson, W.|año= 1851|título= On the Dynamical Theory of Heat, with Numerical Results Deduced from Mr Joule’s Equivalent of a Thermal Unit, and M. Regnault’s Observations on Steam|publicación= Transactions of the Royal Sociey of Edinburgh|volumen= 20|páginas= 261-268, 289-298|url= |doi= |fechaacceso=24 de septiembre de 2009}}</ref>'''
==
'''La forma de
'''Dependiendo de la delimitación de los sistemas a estudiar y del enfoque considerado, el trabajo puede ser caracterizado como mecánico, eléctrico, etc. pero su característica principal es el hecho de transmitir energía y que, en general, la cantidad de energía transferida no depende solamente de los [[estado de equilibrio termodinámico|estados]] iniciales y finales, sino también de la forma concreta en la que se lleven a cabo los procesos.'''
'''El [[calor]] es la forma de transferencia de un tipo de energía particular, propiamente termodinámica, que es debida únicamente a que los sistemas se encuentren a distintas [[temperatura]]s (es algo común en la termodinámica catalogar el trabajo como toda transferencia de energía que no sea en forma de calor). Los hechos experimentales corroboran que este tipo de transferencia también depende del proceso y no sólo de los estados inicial y final.'''
'''Sin embargo, lo que los experimentos sí demuestran es que dado cualquier proceso de cualquier tipo que lleve a un sistema termodinámico de un estado A a otro B, la suma de la energía transferida en forma de trabajo y la energía transferida en forma de calor siempre es la misma y se invierte en aumentar la [[energía interna]] del sistema. Es decir, que la variación de energía interna del sistema es independiente del proceso que haya sufrido. En forma de ecuación y teniendo en cuenta el [[criterio de signos termodinámico]] esta ley queda de la forma:'''
{{ecuación|<math> \Delta U= \ Q + \ W\,</math>||left}}
'''Así, la Primera Ley (o Primer Principio) de la termodinámica relaciona [[magnitud física|magnitudes]] de proceso (dependientes de éste) como son el trabajo y el calor, con una variable de estado (independiente del proceso) tal como lo es la energía interna.'''
==
;'''Sistemas cerrados'''
'''Un sistema cerrado es uno que no tiene intercambio de masa con el resto del universo termodinámico. También es conocido como [[masa de control]]. El sistema cerrado puede tener interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como puede realizar [[trabajo (física)|trabajo]] a través de su frontera. La ecuación general para un sistema cerrado (despreciando energía cinética y potencial y teniendo en cuenta el [[criterio de signos termodinámico]]) es:'''
{{ecuación|<math>\Delta U = Q + W\,</math>}}
'''donde ''Q'' es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema, ''W'' es el trabajo total e incluye trabajo eléctrico, mecánico y de frontera; y ''U'' es la energía interna del sistema.'''
'''Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar [[trabajo (física)|trabajo]] de frontera.''' ▼
▲;Sistemas abiertos
▲Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar [[trabajo (física)|trabajo]] de frontera.
'''La ecuación general para un sistema abierto en un intervalo de tiempo es:'''
{{ecuación|
<math>Q + W + \sum_{in} m_{in} (h + \frac1 2 V^{2} + gz)_{in}-\sum_{out} m_{out} (h + \frac1 2 V^{2} + gz)_{out} = \Delta U_{sistema}</math>
}}
'''O igualmente;'''
{{ecuación|
<math>Q - W + \sum_{in} m_{in} \theta_{in}-\sum_{out} m_{out} \theta_{out} = \Delta U_{sistema},</math>
}}
'''donde;'''
:''in'' representa todas las entradas de masa al sistema.▼
:''out'' representa todas las salidas de masa desde el sistema.▼
:<math>\theta</math> es la energía por unidad de masa del flujo y comprende la [[entalpía]], [[energía potencial]] y [[energía cinética]]: <math>\theta = h + \frac1 2 V^{2} + gz</math>▼
▲:'''''in'' representa todas las entradas de masa al sistema.'''
La energía del sistema es:▼
▲:'''''out'' representa todas las salidas de masa desde el sistema.'''
▲:'''<math>\theta</math> es la energía por unidad de masa del flujo y comprende la [[entalpía]], [[energía potencial]] y [[energía cinética]]: <math>\theta = h + \frac1 2 V^{2} + gz</math>'''
▲'''La energía del sistema es:'''
{{ecuación| <math>E_{sistema} = U + \frac1 2 m V^{2} + mgz</math>}}
'''La variación de energía del sistema en el intervalo de tiempo considerado (entre ''t<sub>0</sub>'' y ''t'') es:'''
{{ecuación| <math>\Delta E_{sistema} = \int_{t_0}^t \frac{dE}{dt}dt</math>}}
;'''Sistemas abiertos en estado estacionario'''
'''El balance de [[energía]] se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario (también conocido como estado estable). En estado estacionario se tiene <math>\Delta E_{sistema} = 0</math>, por lo que el balance de [[energía]] queda:'''
{{ecuación| <math>Q - W + \sum_{in} m_{in} (h + \frac1 2 V^{2} + gz)_{in}-\sum_{out} m_{out} (h + \frac1 2 V^{2} + gz)_{out} = 0</math>}}
;'''Sistema aislado'''
Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior.▼
▲'''Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior.'''
== Véase también ==▼
* [[Fluctuación cuántica]]▼
* [[Calor y trabajo]]▼
* [[Energía térmica]]▼
* [[Móvil perpetuo]]▼
* [[Principio cero de la termodinámica]], [[segundo principio de la termodinámica]] y [[tercer principio de la termodinámica]]▼
* [[Termodinámica]]▼
== Referencias ==▼
▲* [[Fluctuación cuántica|'''Fluctuación cuántica''']]
▲* [[Calor y trabajo|'''Calor y trabajo''']]
▲* [[Energía térmica|'''Energía térmica''']]
▲* [[Móvil perpetuo|'''Móvil perpetuo''']]
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[[Categoría:Principios de la termodinámica]]
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[[Categoría:Alemania en 1850]]
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[[de:Thermodynamik#Erster Hauptsatz]]
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