Física

Termodinámica

Termodinámica
Hemos visto cómo la energía mecánica se puede transformar en calor a través, por ejemplo, del
trabajo de la fuerza de rozamiento pero, ¿será posible el proceso inverso? La respuesta es si, y esto
puede observarse claramente en una máquina de vapor, en un motor de combustión interna o en
una turbina.

Sistemas
En este capítulo estudiaremos la relación entre elcalor y la energía mecánica. Veremos
que se puede obtener trabajo del calor pero que este proceso tiene sus limitaciones.
Primero que nada definiremos lo que es un sistema termodinámico y lo distinguiremos
de lo que llamaremos el “medio”.
Denominaremos sistema al cuerpo o conjunto de cuerpos que evolucionarán en el
tiempo a medida que cambien su volumen, su presión o su temperatura y elmedio será todo
aquel cuerpo que no pertenezca al sistema.
Durante la interacción del sistema con el medio, el primero puede recibir o cederle
calor al segundo. Lo mismo ocurre con el trabajo: Puede que realice trabajo contra el medio o
puede que el medio realice trabajo contra el sistema. Para diferenciar una cosa de la otra se
adopta una convención de signos:
Si el sistema recibe calor delmedio, el signo del calor es positivo. El calor es negativo si el sistema
cede calor al medio.
Si el sistema realiza trabajo contra el medio decimos que dicho trabajo es positivo, en
este caso el sistema se expande. Si el medio realiza trabajo contra el sistema entonces es
negativo, el sistema se contrae.

Sistema conformado por un cuerpo gaseoso.
Supongamos un sistema formado por un gasideal. Cuando el medio le entrega calor al
sistema, este evolucionará de un estado inicial hasta otro estado al que llamaremos final. En estas
condiciones pueden suceder dos cosas:
El sistema puede haber aumentado su volumen, o sea que se dilató.
El sistema puede haber aumentado su temperatura, o sea que aumento la energía
cinética media de las moléculas.
Cuando el sistema aumenta su volumen, esdecir se expande, realizará trabajo contra
el medio, pues aplica contra él una fuerza a lo largo de un camino.
L = F . Δx
Como se ve en la figura, la presión del gas provoca sobre la superficie del pistón una
fuerza que lo hace desplazarse.

Al entregarle calor el gas se expande desplazando al pistón
Sin embargo, no siempre todo el calor se transforma en trabajo, es decir que parte de elcalor entregado al sistema se ha transformado en otra cosa, ¿pero en qué? Es evidente que el gas
pudo haber aumentado su temperatura y por lo tanto la energía cinética media de sus moléculas,
pues aquí ha ido a parar el resto de la energía, ahora conforma otro tipo de energía que se
denomina energía interna del gas (U).

Termodinámica
Queda claro entonces que el aumento de esta magnitud estádirectamente
relacionado con el aumento de la temperatura.
El sistema interactúa con el medio y pasa de
un estado inicial a otro final. Durante la
interacción intercambia energía con el
medio de dos formas: a través de la
realización de trabajo o por medio del
intercambio de calor. En el primer caso, el
intercambio de energía es organizado de
manera que puede aprovecharse, en el
segundoel intercambio es desordenado y
no
siempre
será
aprovechable.
Tengamos claro que, al llegar al estado final,
el sistema puede haber ganado energía,
puede haberla perdido o haber quedado en
condiciones iguales a las iniciales. Esta
energía de la que hablamos no es otra cosa
que la denominada “energía interna” del
sistema.

Primer principio de la Termodinámica
En cualquiertransformación que experimente un sistema, La cantidad de calor Q que
el sistema recibe, se invierte parte en realizar trabajo contra el medio exterior L y el resto es
absorbido por el sistema para aumentar su energía interna ΔU.

Q = L + ΔU
El primer principio de la termodinámica constituye la expresión más general del
principio de conservación de la energía y es quizás una de las leyes más...