EjemploscalorTrabajoPrimeraLey 1

Calor, Trabajo y la Primera Ley de la Termodinámica
Resumen
La transferencia de energía térmica es una forma de transferencia de energía
que ocurre como consecuencia de una diferencia de temperatura. La energía
interna de una sustancia es una función de su estado y por lo general aumenta
con el incremento de temperatura.
La caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1g
de agua de 14.5°C a 15.5°C.
El equivalente mecánico del calor es 4.186 J/cal.
La capacidad calorífica C de cualquier sustancia se define como la cantidad
de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de una sustancia en
un grado Celsius. La energía térmica necesaria para cambiar la temperatura de
una sustancia en ∆T es
Q = mc ∆T
donde m es la masa de la sustancia y c es su calorespecifico.
La energía térmica requerida para cambiar la fase de una sustancia pura de
masa m es
Q = mL
El parámetro L se denomina el calor latente de la sustancia y depende de la
naturaleza del cambio de fase y de las propiedades de la sustancia.
El trabajo realizado por un gas a medida que cambia su volumen de cierto
valor inicial Vi a cierto valor final Vf es
W=

∫

vf

vi

P dV

donde P es lapresión, la cual puede variar durante el proceso. Para evaluar W
debe especificarse la naturaleza del proceso, es decir, P y V deben conocerse
durante cada etapa. Puesto que el trabajo efectuado depende de los estados
inicial, final e intermedio, depende por tanto de la trayectoria seguida entre los
estados inicial y final.
La primera ley de la termodinámica establece que cuando un sistema
experimentaun cambio de un estado a otro, el cambio en su energía interna es
∆U = Q – W
donde Q es la energía térmica transferida al (o del) sistema y W es el trabajo
realizado por (o sobre) el sistema. A pesar de que tanto Q como W dependen

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de la trayectoria seguida desde el estado inicial hasta el estado final, la
cantidad ∆U es independiente de la trayectoria.
En un proceso cíclico (uno que seorigina y termina en el mismo estado),
∆U = 0, y por lo tanto, Q = W. Esto significa que la energía térmica transferida
al sistema es igual al trabajo efectuado durante el ciclo.
Un proceso adiabático es aquel en el cual no se transfiere energía térmica
entre el sistema y sus alrededores (Q = 0) .En este caso, la primera ley produce
∆U = - W. Es decir, la energía interna cambia como consecuencia deltrabajo
que se está efectuando por (o sobre) el sistema.
En una expansión libre adiabática de un gas, Q = 0 y W = 0, de modo que
∆U = 0. Esto es, la energía interna del gas no cambia en dicho proceso.
Un proceso isovolumétríco es uno que ocurre a volumen constante. No se
realiza trabajo de expansión en un proceso con estas características.
Un proceso isobáríco es el que ocurre a presión constante. Eltrabajo
realizado en un proceso de este tipo es p∆V.
Un proceso isotérmico es el que ocurre a temperatura constante. El trabajo
hecho por un gas ideal durante un proceso isotérmico reversible es

V 
W = nRT ln  f 
 Vi 
El calor puede transferirse por conducción, convección y radiación.
La conducción puede verse como un intercambio de energía cinética entre las
moléculas o, electrones quechocan. La velocidad a la cual fluye el calor por
conducción a través de una placa de área A es
H = - kA

dT
dx

donde k es la conductividad térmica y dT/dx es el gradiente de temperatura.
En la convección, la sustancia calentada se mueve de un lugar a otro.
Radiación
Todos los cuerpos radian y absorben energía en forma de ondas
electromagnéticas. Un cuerpo que está más caliente que sus alrededoresradia
más energía que la que absorbe, en tanto que un cuerpo que está más frío que
sus alrededores absorbe más energía que la que radia.
La energía neta ganada o perdida cada segundo por un objeto como
consecuencia de la radiación es

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Pneto = σAe (T4 –T04)
Ejemplo 1. Pérdida de peso por el camino difícil
Un estudiante cena una cantidad especificada en 2,000 Calorías (alimentos).
Desea...