investigación

LA PRIMERA
EEY DE EA
TERMODINÁMICA
Esta locomotora de vapor opera aprovechando la primera ley de la termodinámica. Cuando se genera calor quemando
madera o carbón en el motor de la locomotora, una parte de la energía se invierte en
elevar la temperatura del agua del motor
(que hierve y produce vapor de agua). El
resto es utilizado por el vapor para expanderse y efectuar trabajo que impulsaa la
locomotora hacia adelante.

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¿El vapor de agua podría

impulsar la locomotora efectuando
trabajo al condensarse?

C

ada vez que conducimos un automóvil, que encendemos un acondicionador
de aire o cocinamos algún alimento, recibimos los beneficios prácticos de la
termodinámica, o sea el estudio de las relaciones en las que intervienen: el calor,
el trabajo mecánico y otrosaspectos de la energía y de su transferencia. Por ejemplo, en el motor de un automóvil, se genera calor por la reacción química entre el
oxígeno y la gasolina vaporizada en los cilindros. El gas caliente empuja los pistones de los cilindros, efectuando trabajo mecánico que se utiliza para impulsar el
vehículo. Este es un ejemplo de proceso termodinámico.

La primera ley de la termodinámica, esfundamental para entender tales procesos, es una extensión del principio de conservación de la energía; amplía este principio para incluir el intercambio de energía tanto por transferencia de calor como
por trabajo mecánico e introduce el concepto de la energía interna de un sistema.
La conservación de la energía desempeña un papel vital en todas las áreas de la física, y la primera ley tieneuna utilidad muy amplia. Para plantear las relaciones
de energía con precisión, necesitaremos el concepto de sistema termodinámico, y
estudiaremos el calor y el trabajo como dos formas de introducir o extraer energía en semejante sistema.

19.1 | Sistemas termodinámicos
Ya hemos estudiado la transferencia de energía por trabajo mecánico (capítulo 6>
y por transferencia de calor (capítulos 17 y18). Ahora podemos combinar y generalizar estos principios.

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19.1 El maíz en la olla es un sistema termodinàmico. En el proceso termodinàmico
que se muestra aquí, se agrega calor al sistema y éste efectúa trabajo sobre el entorno para levantar la tapa de la olla.

CAPÍTULO 19 I La primera ley de la termodinámica

Siempre hablaremos de transferencia de energía hacia o dealgún sistema específico. El sistema podría ser un dispositivo mecánico, un organismo biológico o cierta
cantidad de material como el refrigerante de un acondicionador de aire o el vapor de
agua que se expande en una turbina. En general, un sistema termodinàmico es cualquier conjunto de objetos que conviene considerar como una unidad y que podría intercambiar energia con el entorno. Un ejemploconocido es una cantidad de granos
de maíz palomero en una olla con tapa. Al colocarse la olla en una estufa, se agrega
energía al maíz por conducción de calor; al reventar el maíz y expanderse, realiza trabajo al ejercer una fuerza hacia arriba sobre la tapa y desplazarla (Fig. 19.1). El estado del maíz cambia en este proceso, ya que el volumen, la temperatura y la presión
del maíz cambiancuando revienta. Un proceso así, en el que hay cambios en el estado de un sistema termodinàmico, se denomina proceso termodinàmico.
En mecánica, usamos mucho el concepto de sistema en relación con los diagramas de cuerpo libre y la conservación de la energía y la cantidad de movimiento.
En los sistemas termodinámicas, al igual que en todos los demás, es indispensable definir con claridad desde unprincipio exactamente lo que está o no incluido en
el sistema. Sólo así podremos describir sin ambigüedad las transferencias de energía al y desde el sistema. En nuestro ejemplo del maíz palomero, definimos el sistema como el maíz, sin incluir la olla, la tapa ni la estufa.
La termodinámica tiene sus raíces en muchos problemas prácticos aparte del
inflado de rosetas de maíz (Fig. 19.2). El...