TERMODINAMICA







INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica


TERMODINAMICA


LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

Una de las manifestaciones más fundamentales de la naturaleza es la energía que acompaña a todos los cambios y transformaciones. Así, fenómenos tandiversos como la caída de una piedra, el movimiento de una bola de billar, la combustión del carbón, todos comprenden alguna absorción, emisión y redistribución de la energía.
Es materia de la termodinámica estudiar interrelaciones que tienen lugar en los sistemas, y sus leyes, que son aplicables a todos los fenómenos naturales, se cumplen rigurosamente ya que están basadas en los sistemasmacroscópicos, es decir con gran número de moléculas en vez de los microscópicos que comprenden un número reducido de ellas. Aún más, la termodinámica no considera el tiempo de la transformación. Su interés se centra en los estados inicial y final de un sistema sin mostrar ninguna curiosidad por la velocidad con que tal cambio se produce.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA
Después de los estospreliminares estamos en condiciones de estudiar la primera ley de la termodinámica que establece la conservación de la energía, es decir, esta ni se crea ni se destruye. En otras palabras, esta ley se formula diciendo que para una cantidad dada de una forma de energía que desaparece otra forma de la misma aparecerá en una cantidad igual a la cantidad desaparecida. Para ser más específicos consideremos eldestino de cierta cantidad de calor q agregada al sistema. Esta cantidad dará origen a un incremento de la energía interna del sistema y también efectuara cierto trabajo externo como consecuencia de dicha absorción calorífica. Si designamos por ∆E al incremento de la energía interna del sistema y ω al trabajo hecho por el sistema sobre el contorno, entonces por la primera ley tendremos:
∆E +∆E= q – ω (1)
La ecuación (1) constituye el establecimiento matemático de la primera ley. Como la energía interna depende únicamente del estado de un sistema, entonces el cambio de la misma ∆E, involucrado en el paso de un estado donde la energía es E₁ a otro donde es E₂ debe estar dada por∆E= E₂- E₁ (2)


∆E depende así únicamente de los estados inicial y final del sistema y de ninguna manera de la forma en que se ha realizado tal cambio.
Estas consideraciones no se aplican a ω y q, porque la magnitud de estas, depende de la manera en que se efectúa el trabajo de estado inicial al final. El símbolo ωrepresenta el trabajo total hecho por un sistema. En una celda galvánica, por ejemplo, ω puede incluir la energía eléctrica proporcionada, más, si hay cambio de volumen, cualquier energía utilizada para efectuar la expansión o contracción contra una presión oponente ρ. Ahora estamos interesados solamente en el trabajo mecánico de presión contra volumen desarrollado en el proceso; y esta energía sededuce fácilmente de la manera siguiente.
Consideremos un cilindro, de sección transversal A ajustado con un pistón ρ. Entonces como la presión es un fuerza por unidad de área, la fuerza total que actúa sobre el pistón es ƒ=ρA. Si este se desplaza ahora una distancia dl, el trabajo dω realizado es
dω= ƒdl= ρAdl
pero Adl es un elemento de volumen, dV, barrido por el embolo en su movimiento. De aquídω=ρdV (3)
y, por integración entre los limites V₁ y V₂
(4)
Si el único trabajo hecho por el sistema de esta naturaleza, entonces la sustitución de la ecuación (4) en la (1) nos da para la primera ley, la expresión...