Diferencia entre revisiones de «Primer principio de la termodinámica»

El '''primer principio de la termodinámica''' o '''primera ley de la termodinámica'''<ref>.En [[Idioma español|español]] (como en [[idioma francés|francés]]), a diferencia del [[inglés (idioma)|inglés]] — por ejemplo, ''First law of thermodynamics''—, se usa la palabra «principio» para designar leyes naturales que no pueden demostrarse explícitamente, sin embargo se pueden medir y cuantificar observando los resultados que producen.</ref> es un principio que refleja la [[conservación de la energía]] en el contexto de la [[termodinámica]] y establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la [[energía interna]] del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre [[Trabajo (física)|trabajo]] y energía interna. En palabras simples: la energía total del universo se mantiene constante. No se crea ni se destruye, sólo se transforma.

 

 

Más específicamente el principio se puede formular como:

{{cita|En un sistema aislado [[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]].}}

 

Este enunciado supone formalmente definido el concepto de [[trabajo (física)|trabajo termodinámico]] y conocido que los sistemas termodinámicos sólo pueden interactuar 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>}} o {{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 ''sobre'' el sistema y negativo si es realizado ''por'' 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 U\,</math> es la variación de energía del sistema,

:<math> Q\,</math> es el calor intercambiado por el sistema a través de unas paredes bien definidas, y