Termodinamica

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TERMODINÁMICA

m

EP¡

= 10 kJ

4.1 • LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Hasta ahora se han considerado varias formas de energía como el calor Q, el tr jo W y la energía total E individualmente, sin relacionadas unas con otras duranz un proceso. La primera ley de la termodinámica, también conocida como el principio de conservación de la energía, brinda una base sólida para estudiarlas rela ciones entre las diversas formas e interacciones de energía. Con base en observ ciones experimentales, la primera ley de la termodinámica declara que la ener no puede crearse ni destruirse; sólo transformarse. Por lo tanto, toda cantidad '~ energía deberá tenerse en cuenta durante un proceso. Es bien sabido que una roca en un sitio alto posee cierta energía potenci y que parte de estaenergía potencial se convierte en energía cinética cuando la roca se cae (figura 4.1). Los datos experimentales muestran que el decremento energía potencial (mg&) es exactamente igual al incremento en energía cinéti [m("tr~ - "trT)/2] cuando la resistencia del aire es despreciable, confirmando así principio de conservación de la energía. Considere un sistema que pasa por una serie de procesosadiabáticos desde estado especificado 1 a otro estado especificado 2. Siendo adiabáticos, estos procesos obviamente no pueden involucrar transferencia alguna de calor, pero sí con tener varios tipos de interacciones de trabajo, La medición cuidadosa durante estos experimentos indica lo siguiente: Para todos los procesos adiabáticos en ~
dos estados especificados en un sistema cerrado, el trabajo netohecho es igual ' importar la naturaleza del sistema cerrado ni los detalles del proceso. Conside-

CE¡ =0

FIGURA 4.1
La energía no puede crearse ni destruirse; sólo puede cambiar de forma.

FIGURA 4.2
El aumento en la energía de una papa en un horno es igual a la cantidad de calor que se le transfiere.

rando que existe un número infinito de maneras para realizar las interacciones ~trabajo dentro de condiciones adiabáticas, el anterior enunciado parece ser m _ poderoso, con potencial para tener implicaciones trascendentes. Este enuncia que se basa en gran medida en los experimentos de Joule en la primera mitad de;. siglo XIX, no puede extraerse a partir de ningún otro principio físico conocido y reconoce como principio fundamental. Este principio se llama la primera ley latermodinámica, o tan sólo la primera ley. Una consecuencia importante de la primera leyes la existencia y la definici de la propiedad energía total E. Considerando que el trabajo neto es el mismo paI:: todos los procesos adiabáticos de un sistema cerrado entre dos estados especifi dos, el valor del trabajo neto debe depender únicamente de los estados terminal del sistema, y por lo tanto debe correspondera un cambio en una propiedad "'sistema. Esta propiedad es la energía total. Advierta que la primera ley no he ~ referencia al valor de la energía total de un sistema cerrado en un estado. Tan só declara que el cambio de la energía total durante un proceso adiabático debe igual al trabajo neto realizado. Por lo tanto, cualquier valor arbitrario conveniene puede ser asignado a la energía total enun estado .específico para servir co punto de referencia. Implícita en el enunciado de la primera ley se encuentra la conservación de . energía. Aunque la esencia de la primera leyes la existencia de la propiedad energía total, la primera leyes frecuentemente vista como un enunciado del principie de la conservación de la energía. A continuación desarrollamos la relación para primera ley '0conservación de la energía para sistemas cerrados con la ayuda ~ algunos ejemplos familiares utilizando argumentos intuitivos. En primer término, se consideran algunos procesos que involucran transferencia de calor pero no interacciones de trabajo. La papa homeada es un buen ejemp para esté caso (figura 4.2). Como resultado de la transferencia de calor a la papa, energía de la papa aumentará. Si...