Fisica

UNIDAD V: PRIMERA LEY DE TERMODINAMICA

Trabajo externo sobre un cuerpo
La energía interna de un cuerpo puede variar como resultado de su interacción con los cuerpos que lo rodean. Dicha variación se expresa en términos del trabajo de las fuerzas externas que actúan sobre las partículas del cuerpo. El cambio de energía interna y el trabajo de las fuerzas externas están relacionados por laexpresión:
∆U=Wext
Cambio de energía interna = Trabajo de las fuerza externas

Cuando se trata de un cuerpo compuesto de un número pequeño de partículas, el cálculo del trabajo externo es muy simple, pues basta con calcular el trabajo que realiza cada fuerza externa aplicada a las partículas. Pero si el número de partículas es muy grande, este procedimiento es impracticable. No obstante,en algunos casos es relativamente fácil calcularlo en términos de las fuerzas ejercidas sobre las partes móviles del sistema.
La mayoría de los sistemas que son de interés práctico (motores de explosión, motores hidráulicos, turbinas, etc.) consisten de ciertas partes móviles (émbolos, ruedas, poleas, etc.) de modo que el trabajo externo se puede calcular mediante una fuerza promedio ejercidasobre una parte móvil y la distancia recorrida por dicha parte móvil. Este trabajo suele llamarse trabajo mecánico (Wmec).
Por otro lado, un cuerpo puede intercambiar energía con el medio que lo rodea mediante choques moleculares, aparentemente sin que se mueva ninguna de sus partes, proceso que se denomina “calor” (Q) y que también puede asimilarse a un trabajo externo sobre el cuerpo (Porejemplo, el trabajo externo realizado por una persona que infla una bicicleta sobre el aire dentro de la rueda, se mide en términos de la fuerza que ejerce la persona y la distancia que se mueve el émbolo del bombín o parte móvil).
Por lo tanto, el trabajo externo sobre un cuerpo puede descomponerse en dos partes: una es el trabajo mecánico (Wmec), correspondientes a las partes móviles del cuerpo, yla otra es el calor (Q).
Así se puede escribir:
Wext = Wmec + Q

Trabajo externo = trabajo mecánico realizado sobre el cuerpo + trabajo externo en forma de calor.

Primer principio de la termodinámica
La termodinámica estudia los procesos de intercambio de energía de un cuerpo con el medio que lo rodea. En todos estos procesos, como es de suponer, debe cumplirse el principio deconservación de la energía, según lo indicado en la relación ∆U=Wext.
Descomponiendo el trabajo externo realizado sobre un sistema en dos partes, trabajo mecánico y calor, se puede escribir:
∆U=Wmec+ Q

Calor absorbido por el cuerpo
Trabajo mecánico realizado sobre el cuerpo
Cambio de energía interna del cuerpo

= +

Esta relación constituye el primer principiode la termodinámica, que no es más que el principio de conservación de la energía expresado de modo que el trabajo exterior se separa en trabajo mecánico y calor.
En muchas aplicaciones, especialmente en las máquinas térmicas, se prefiere considerar el trabajo realizado por el cuerpo en lugar del trabajo realizado sobre el cuerpo. En realidad, los dos trabajos son iguales pero de signoscontrarios. Entonces, si se designa por W el trabajo realizado por el cuerpo, se tiene que W = – Wmec y por lo tanto:

∆U=Q-W

Trabajo mecánico realizado por el cuerpo
Calor absorbido por el cuerpo
Cambio de energía interna del cuerpo

= –

El cuerpo absorbe un calor Q y realiza un trabajo mecánico W. La diferencia se convierte en energía interna del cuerpo (U).
Ejemplos:1. Calcular la variación de temperatura de 20 g de agua si sobre la misma se realiza un trabajo de 13,48 J.
Wext = 13,48 y usando Q = mc∆t se tiene ∆t=Qmc = 13,48 J0,020 kg ×4186 J/(kg ºC)= 0,161º C
2. Un cuerpo absorbe 500 cal y realiza un trabajo mecánico de 800 J ¿Cuál es su cambio de energía interna?
Q = (500 cal) (4,186 J/cal) = 2.093 J ∆U=Q-W = 2.093 J – 800 J = 1.293...