Apuntes de Termodinamica

III. Primer principio de la termodinámica.
Introducción a la transferencia de calor.
III.1 Primer principio(1)
El primer principio de la termodinámica se estableció como una extensión del principio de
conservación de la energía, a raíz de los experimentos de Joule.

III.1.1 Experiencia de Joule

Figura III.1.: Experien cia de Jou le
Hacia 1840, la mayor parte de los científicos seguíasosteniendo la teoría del calórico. James Joule,
sin embargo, influido por los pioneros de la teoría cinética, pensaba que lo que hace que un cuerpo
esté más caliente no es la mayor concentración de calórico, sino la mayor energía cinética de sus
moléculas. Esto, como había señalado R umford, p ermitía una e xplicación natural del ca lentamiento
por fricción: el traba jo realizado p or la fuerzad e rozamien to se invierte en a umentar la e nergía
cinética de las moléculas. Joule razonó que si esto fuera así, calor y trabajo deberían ser la misma
cosa; en particular, el trabajo necesario para calentar un cuerpo por fricción debería ser
proporcional al calor necesario para producir ese mismo calentamiento.
En una larga serie de experimentos, Joule midió cuidadosamente el trabajo necesario para
producir un cierto calentamiento. En el más célebre de ellos (Fig. III.1), agitaba agua encerrada por
(1)

En todo este capítulo nos referiremos a sistemas cerrados.

APUNTES DE TERMODIN ÁMICA © JUAN MELÉND EZ 2002 / UNIVERSIDAD C ARLOS III DE MADRID

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paredes adiabáticas con unas paletas, hec has girar media nte un pes o que caía entre dos alturas, h 1
y h 2 . Eltrabajo suministrado al sistema se calculaba por la altura que caía el peso:
W 12ad=mg(h 1! h 2 ). Cuando se esperaba a que cesa ra la agitación del agua, se observaba que este se
había calentado, pasando de T1 a T 2 . El mismo calentamiento podía obtenerse suministrando al
agua un calor Q 12 =(T 2 -T 1 )AC, siendo C la ca pacidad calorífica del agua (calorías/grado).
Joule observó que siemprehabía una relación constante entre W 12 y Q 12 :
(III.1)
W 12 (Julios)=J AQ 12 (calorías)
Llamó a la constante J equivalente mecánico del calor, y encontró que valía 4.184 Julios/caloría.
Encontró también qu e podía elevar la temperatura por otros métodos consistentes en suministrar
trabajo (distintos modos de trabajo mecánico, y trabajo eléctrico), pero la proporcionalidad era
siempre lamisma(2).
Para Joule, esto dejaba claro que el calor, al igual que el trabajo, es simplemente una forma
de transferir energía. Por tanto, la energía de un sistema podrá variar debido a una realización de
trabajo (W) o a un intercambio de calor (Q ):
) U=Q+W
(III.2)
Siendo U la energía del sistema. E sta ecuació n es una gen eralización d e la conserva ción de la
energía mecánica () EM=W ext )para incluir el calor, y se conoce como enunciad o de He lmholtz
(1847) del primer principio de la termodinámica.

III.1.2 Enunciado de Born del primer principio de la termodinámica
El enunciado que hemos da do tiene interé s histórico, pe ro tiene el imp ortante inconveniente para
nosotros de que no hemos definido calor, ni tampoco hemos definido rigurosamente la energía U.
Por eso, preferiremos, c omo con ceptualme nte más cor recto, el enunciado de Born (1921):
a)
Dados dos estados de equilibrio cualesquiera, 1 y 2, de un sistema cerrado, siempre es
posible comunicarlos mediante un proceso adiabático (3).
b)
El trabajo realizado sobre el sistema en el proceso adiabático que comunica ambos estados
sólo depe nde de los estados inicia l y final.
Vamos a ver que este enunciadopermite definir energía interna (U) y calo r (Q) y llegar a la
ecuación (III.2) pero habiendo definido todos sus términos.

Energía Inte rna
En virtud de b), podemos definir una función de estado U, que llamaremos energía interna, tal que
(III.3)
U 2! U 1=W 12 ad
En el caso hipotético de que 2 no fuera accesible desde 1 por un proceso adiabático, el apartado
a) garantiza que 1 sería...