gas ideal y primera ley

1ª LEY DE LA TERMODINÁMICA
TRANSFORMACIONES TERMODINÁMICAS EN UN GAS IDEAL
1. INTRODUCCIÓN
En un curso general de Química de 2º de Bachillerato se introducen los conceptos básicos relativos a la
primera ley de la termodinámica, tales como energía interna, entalpía, calor, trabajo, calor específico, etc.,
con la finalidad de aplicar dicha ley a los cambios energéticos asociados a lasreacciones químicas
(termodinámica química).
Se trata de ampliar un poco más la comprensión de dichos conceptos aplicándolos a procesos físicos como
son las transformaciones energéticas en un gas ideal a través de los diagramas P – V (diagramas de
Clapeyron) empleando un lenguaje matemático accesible al alumnado de este nivel, extensión que en el
curso mencionado normalmente no se aborda. No setratarán aquí variaciones de magnitudes relativas a la
2ª ley de la termodinámica, como la variación de la entropía asociada a cada proceso, por exigir el empleo
del cálculo diferencial.
Nos referiremos únicamente a sistemas cerrados, en los cuales puede haber intercambio de energía con el
entorno, pero no de materia.
2. REPASO Y EXPOSICIÓN DE CONCEPTOS BÁSICOS
a. Ecuaciones para los gasesideales
El estado de un gas ideal está descrito por la llamada ecuación de estado de gas ideal (1), ecuación de
Clapeyron, que relaciona las variables de estado P, V, n y T. A partir de ellas se obtienen varias ecuaciones
parciales según que variables mantengamos constantes (aquí nos interesa que n sea constante), por lo que
tendremos las leyes de Gay-Lussac (2), de Charles (3) y de Boyle-Mariotte(4):

PV = nRT

P
= cte

 T V , n


[1]  V 
= cte

 T  P, n


PV )
T , n = cte


[2]

[3]

[ 4]

b. Primera ley de la termodinámica
La primera ley es el enunciado del principio de conservación de la energía en el universo:
Euniverso = Esistema + Eentorno = cte.

[5]

Puesto que nos interesa el sistema, y la energía del mismo consta de una energía“externa” (cinética del
sistema como un todo, y potencial causada por un campo externo de fuerzas conservativo) que
supondremos constante y de una energía interna U que contempla las diversas formas de energía dentro
del sistema (energía térmica –debida al movimiento de las partículas- y energía química –debida a los
enlaces y fuerzas entre partículas), reformularemos la primera ley en función dedicha energía:
∆U = q + w = q – P·∆V

[6]

que establece que la energía interna de un sistema cerrado puede variar por transferencia con el entorno de
energía en forma de calor q y/o trabajo w (del cual consideraremos solo el trabajo de expansióncompresión), adoptando el criterio de signos “egoísta” o de la IUPAC (todo lo que entra al sistema se
considera positivo y todo lo que salenegativo).
El calor, igual que el trabajo, es un modo de transferencia de energía, consistiendo la diferencia en que el
trabajo procede de un movimiento ordenado de las partículas (se mueven en una dirección para aplicar una
fuerza y desplazar algo) mientras que el calor procede de un movimiento aleatorio de las mismas. Calor y
trabajo no son energías, por ello los cuerpos no contienen calor otrabajo. Una vez que el cuerpo recibe
energía por transferencia en modo de calor o de trabajo, ésta se almacena en forma de energía cinética y/o
potencial, no recordando cómo fue transferida, y tal energía puede ser extraída como calor y/o trabajo. La
distinción entre ambos modos se hace desde el medio.
Insistir también que en termodinámica se calcula el trabajo de un sistema como el trabajorealizado contra
las fuerzas exteriores al sistema, por ello la presión que figura en el cálculo del trabajo es la presión externa,
Pext.
Pedro L. Rodríguez Porca. v 1 (2010) - Página 1

Por definición de gas ideal, sus partículas no están sometidas a interacciones entre ellas por lo que
su energía interna sólo contempla la energía cinética, y como la temperatura es una medida de
dicho...