Apuntes 4

Apuntes de Termodinámica General

Universidad de Carabobo
Facultad de Ingeniería
Estudios Básicos
Departamento de Física
Cátedra de Termodinámica General
Profesores: Alicia González y Alberto Martínez M.
Semestre 2º 2012

Unidad IV. Primera ley de la termodinámica
Introducción a la primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica puede establecerse del modo siguiente: durante lainteracción
entre un sistema y su entorno, la variación de energía del sistema debe ser igual a la diferencia
entre el calor transferido y el trabajo realizado.
Fcosθ
r
FT

Definición de trabajo mecánico

r
El trabajo realizado por una fuerza F sobre una partícula
al moverse desde un punto A hasta un punto B, está
definido como:
B
B
r
r
W = F o d r = F cos θdr

∫

∫

A

A

B

θ

r
F
A

Trabajo entermodinámica
Una forma de trabajo mecánico muy común en la práctica es aquélla que está relacionada con la
expansión o contracción de un gas en un dispositivo cilindro-pistón. Durante este proceso, parte de
la frontera (la cara interna del pistón) se mueve en vaivén; por lo tanto, el trabajo de expansión y
contracción suele llamarse “trabajo de frontera móvil” o simplemente “trabajo defrontera”.
Algunos lo llaman trabajo “PdV” por razones que veremos más adelante. El trabajo de frontera
móvil es la principal forma de trabajo relacionada con los motores de automóviles. Durante su
expansión, los gases de combustión fuerzan al pistón a moverse, el cual a su vez obliga al cigüeñal
a girar.

Expresión del trabajo en un proceso de cuasiequilibrio en un sistema simple compresible
cerrado
Unsistema cerrado que está compuesto de una sustancia simple compresible y que no involucra
efectos de movimiento, electricidad y magnetismo, se conoce como sistema simple compresible
cerrado. Un proceso de cuasiequilibrio es aquél durante el cual un sistema queda en equilibrio o
infinitesimalmente cercano al equilibrio. Durante un proceso de cuasiequilibrio, las propiedades
deben ser uniformes en unsistema cerrado y no puede haber efectos de fricción.

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Universidad de Carabobo – Profesores: Alicia González y Alberto Martínez M.

Apuntes de Termodinámica General

A fin de desarrollar una expresión para el trabajo de un
proceso de cuasiequilibrio de un sistema simple
compresible cerrado, consideremos un gas en un
cilindro que se expande contra un pistón, como se
muestra en la figura.
El gasse expande desde un estado inicial 1 hasta un
estado final 2. El pistón se mueve muy lentamente, de
manera que los efectos de movimiento del sistema son
despreciables. La presión es uniforme en todo el
sistema en cualquier etapa de la expansión. La fuerza
sobre el pistón es igual al producto de la presión del
gas por el área del pistón. Esta fuerza actúa en este
caso en el mismo sentido delmovimiento del pistón.

(2)

dr

(1)

r
Fgas

TOME NOTA DE LO INDICADO POR SU PROFESOR

Obsérvese que P es la presión absoluta del gas y es una cantidad positiva. Sin embargo, el cambio
de volumen dV es positivo en un proceso de expansión (aumento de volumen) y negativo durante
un proceso de contracción (disminución de volumen).
El trabajo total realizado durante el proceso completo, cuando el pistón semueve desde el estado
1 (donde V = V1) hasta el estado final 2 (donde V = V2) se obtiene integrando la expresión anterior:
V2

W12 =

∫ PdV

V1

Según esta expresión, podemos concluir también que al representar un proceso de cuasiequilibrio
en un diagrama P-V, el área encerrada bajo la curva del proceso o trayectoria representa el trabajo
efectuado durante un proceso de expansión o contracción decuasiequilibrio de un sistema cerrado.

Algunas consideraciones sobre el trabajo:
• El trabajo no es una característica de un sistema que pueda observarse en un estado particular.
• El trabajo por lo tanto no es una propiedad del sistema, como lo son la presión, el volumen y la
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temperatura. Al pasar del estado inicial 1 a un estado final 2, nótese que:

∫ dV = V

2

− V1 pero

1
2

∫ δW ≠...