Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica es un concepto fundamental en el estudio de la química y la física. También se conoce como la ley de conservación de la energía. Esta ley afirma que la energía no se puede crear ni destruir en un sistema aislado. Esto significa que la energía total de un sistema aislado permanece constante. En cambio, la energía solo se puede convertir de una forma a otra o transferirse de una parte del sistema a otra. Vamos a entender la primera ley de la termodinámica en profundidad.

Comprendiendo la energía

Antes de adentrarnos en la primera ley de la termodinámica, es importante entender el concepto de energía. La energía es la capacidad de realizar trabajo o producir calor. Existe en varias formas, incluidas la energía cinética, la energía potencial, la energía térmica, la energía química y la energía eléctrica, etc. La unidad de medida de la energía en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el joule (J).

Energía cinética es la energía que un objeto tiene debido a su movimiento. Por ejemplo, un auto en movimiento o un río que fluye tienen energía cinética. La fórmula para calcular la energía cinética es:

KE = 0.5 * m * v²

Donde m es la masa del objeto y v es su velocidad.

Energía potencial es la energía almacenada en un objeto debido a su posición o estado. Por ejemplo, un arco tensado o un libro en una estantería tienen energía potencial. Una forma de energía potencial es la energía potencial gravitatoria, que se calcula de la siguiente manera:

PE = m * g * h

donde m es la masa, g es la aceleración debida a la gravedad y h es la altura sobre el punto de referencia.

Enunciado en la ley

Ahora que tenemos una comprensión básica de la energía, expliquemos la primera ley de la termodinámica de una manera sencilla: El cambio en la energía interna de un sistema es igual al calor añadido al sistema menos el trabajo realizado sobre el sistema.

Matemáticamente, la primera ley de la termodinámica se expresa de la siguiente manera:

ΔU = Q - W

Donde:

• ΔU es el cambio en la energía interna del sistema.
• Q es el calor añadido al sistema.
• W es el trabajo realizado por el sistema.

Esta ecuación implica que cuando un sistema absorbe calor (Q es positivo), su energía interna aumenta. Por el contrario, si el sistema realiza trabajo (W es positivo), su energía interna disminuye.

Ejemplos de la primera ley

Consideremos algunos escenarios para comprender mejor cómo funciona la primera ley de la termodinámica en diferentes sistemas.

Ejemplo 1: Gas en un cilindro

Imagina un gas encerrado en un cilindro que contiene un pistón. Si calentamos el gas, la energía se transfiere al gas en forma de calor (Q). Esto hace que el gas se expanda y realice trabajo (W) sobre el pistón empujándolo hacia arriba. Según la primera ley, el cambio en la energía interna (ΔU) del gas depende del calor añadido y del trabajo realizado.

ΔU = Q - W

Si se añaden 500 julios de energía térmica al gas y el gas realiza 200 julios de trabajo sobre el pistón, el cambio en la energía interna será:

ΔU = 500 J - 200 J = 300 J

Por lo tanto, la energía interna del gas aumentó en 300 julios.

Ejemplo 2: Hervir agua en un recipiente cerrado

Considera hervir agua en un recipiente cerrado y rígido. Al añadirse calor al sistema, la temperatura del agua aumenta. Sin embargo, dado que el recipiente es rígido y no puede expandirse, no se realiza trabajo (W = 0). Por lo tanto, cualquier calor añadido al sistema va directamente a aumentar la energía interna del sistema.

ΔU = Q - 0 = Q

Si se añaden 1000 julios de calor, entonces el cambio en la energía interna también será de 1000 julios.

Visualizando la primera ley

Veamos cómo se pueden visualizar estos conceptos. Considera el simple ejemplo de un gas en un cilindro con un pistón móvil, lo que ayuda a visualizar la transformación y transferencia de energía:

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