Primera ley de la termodinámica

INTRODUCCIÓN

La termodinámica es la rama de la física que estudia los procesos donde hay transferencia de energía en forma de calor y de trabajo. Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico entre sí, la temperatura del cuerpo más cálido disminuye y la del más frío aumenta. Si permanecen en contacto térmico durante cierto tiempo, finalmente alcanzan unatemperatura común de equilibrio, de valor comprendido entre las temperaturas iniciales. En este proceso se produjo una transferencia de calor del cuerpo más cálido al más frío. La pregunta que surge es ¿cuáles son las características de esa transferencia de calor? En este trabajo se intentará dar respuesta a esa pregunta, ya que en este es importante aprender a conocer la capacidad de absorber o liberarcalor de los cuerpos, las diferentes formas de calor, el trabajo termodinámico, la energía interna de los cuerpos y como se relacionan entre sí esas variables a través de la primera ley de la termodinámica.














Definiciones

Sistema: cualquier grupo de átomos, moléculas, partículas u objetos en estudio termodinámico. Por ejemplo el agua dentro de un envase, el cuerpode un ser vivo o la atmósfera.

Ambiente: todo lo que no pertenece al sistema, es lo que rodea al sistema, sus alrededores. Por ejemplo el exterior al envase donde está el agua, o el espacio que rodea a la atmósfera (puede ser todo el Universo). Entre el sistema y el ambiente puede haber intercambio de calor y de energía y se puede realizar trabajo.

Sistema cerrado: sistema en el cual noentra ni sale masa, pero que puede intercambiar calor y energía con el ambiente.

Sistema abierto: sistema que puede tener variación de masa, como por ejemplo intercambio de gases o líquidos, o de alimentos en los seres vivos.

Sistema cerrado aislado: sistema en el cual no se produce ningún intercambio de calor o energía con el ambiente a través de sus fronteras.

El calor, (símbolo Q), sedefine como la energía cinética total de todos los átomos o moléculas de una sustancia. El concepto de calor, se usa para describir la energía que se transfiere de un lugar a otro, es decir flujo de calor es una transferencia de energía que se produce únicamente como consecuencia de las diferencias de temperatura.




Trabajo
Trabajo mecánico: En mecánica clásica, el trabajo que realiza unafuerza se define como el producto de ésta por el camino que recorre su punto de aplicación y por el coseno del ángulo que forman la una con el otro. El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra (del inglés Work) y se expresa en unidades de energía. Matemáticamente:



Donde es el trabajo mecánico, F es la magnitud de la fuerza, s es la magnitud del desplazamientoy es el ángulo que forman entre sí la fuerza y el desplazamiento. Cuando una fuerza es perpendicular al desplazamiento del cuerpo sobre el que se aplica, dicha fuerza no realiza trabajo alguno.
Si la partícula P recorre una cierta trayectoria en el espacio, su desplazamiento total entre dos posiciones y puede considerarse como el resultado de sumar infinitos desplazamientos elementales y eltrabajo total realizado por la fuerza en ese desplazamiento será la suma de todos esos trabajos elementales; o sea:



Trabajo de expansión y compresión:
En termodinámica el trabajo que se realiza cuando un gas se expande o se comprime ejerciendo una presión desde un volumen A hasta otro volumen B viene dado por:


El trabajo es, en general, dependiente de la trayectoria y, por lotanto, no constituye una variable de estado. La unidad básica de trabajo en el S.I. es newton×metro y se denomina joule o julio, y es la misma unidad que mide la energía. Por eso se entiende que la energía es la capacidad para realizar un trabajo o que el trabajo provoca una variación de energía.

El trabajo, desde el punto de vista mecánico, suele definirse como el producto de una fuerza por la...