ENERGIA INTERNA BASADA EN LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

ENERGIA INTERNA BASADA EN LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Hernán Erlichson

Departamento de ciencias aplicadas, la universidad de la isla de Staten, Isla de Stanten, Nueva York 10301

(Recibido el 13 de diciembre de 1982; aceptado para su publicación 15 noviembre de 1983)

La definición de la energía interna de un sistema de la termodinámica en la mayoría de los textos de introducción general afirma o implica que el cm la energía cinética del sistema no es parte de la energía interna.

Esto es incompatible con la declaración de la primera ley de la termodinámica como U = Q-W. Si el c.m. energía cinética no se considera parte de la U, la primera ley se debe indicar como ∆U+∆K_(c.m)=Q-W Se dan varios ejemplos. Es necesario aclarar este punto en muchos textos ampliamente utilizados.

I.INTRODUCCIÓN

Desde hace algún tiempo he reflexionado sobre el significado de la energía interna de la primera ley de la termodinámica. Un texto introductorio ampliamente utilizado nos dice, "energía interna puede interpretarse en términos de energía mecánica microscópica, es decir, las energías cinética y potencial de las moléculas individuales en un material". Esto nos lleva a creer que la energía interna no incluye el cm bruto energía cinética del conjunto de moléculas. Esto ciertamente parece razonable y coherente con el uso del adjetivo "interno". Otro conocido estados de texto, "el, temperatura de un gas está relacionada con la energía cinética de traslación total medido con respecto al centro de masa del gas. La energía cinética asociada con el movimiento del centro de masa del gas no tiene relación con la temperatura del gas. "Como sabemos que la energía interna es una función de las coordenadas termodinámicas, esto confirma nuestra idea de que el cm la energía cinética no es parte de la energía interna. Un tercer texto afirma explícitamente: "definiremos la energía interna de un sistema como la suma de su cinética interna y energías potenciales" (con la energía cinética interna como la energía cinética en relación con el cm).

El propósito de este trabajo es mostrar que este significado ampliamente aceptado de la energía interna es incompatible con la afirmación ampliamente utilizada de la primera ley como ∆U=Q-W . Vamos a demostrar que si U tiene el comúnmente aceptado que significa entonces la declaración correcta de la primera ley es ∆U+∆K_(c.m.)=Q-W Nos ofrecen varios ejemplos para subrayar aún más nuestro punto y esperamos que los textos futuros corregir este error común.

II.LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Si tenemos un sistema de partículas (un sistema termodinámico) sometidos a un proceso, el trabajo de todas las fuerzas es igual a la variación de la energía cinética de las partículas,

W= ∆K (1)

W es la suma de los trabajos de las fuerzas externas, W_ext y el trabajo de las fuerzas internas W_int .K es la suma de cm K energía cinética y la energía cinética "interna" K_int. Por lo tanto

W_ext+ W_int= ∆K_(c.m.)+K_int (2)

El trabajo de las fuerzas externas es la suma del trabajo de las fuerzas macroscópicas externas W_█(ext@macro), y el trabajo de las fuerzas microscópicas externas W_█(ext@micro). El trabajo de las fuerzas microscópicas externas es lo que comúnmente llamamos el calor Q. por lo tanto,

W_ext= W_█(ext@macro)+W_█(ext@micro) = W_█(ext@macro)+Q (3)

Además, el trabajo de las fuerzas macroscópicas externas, W_ext, normalmente se representa con el símbolo sencillo W_macro , donde W es el trabajo del sistema contra las fuerzas macroscópicas externas; así

W_ext= -W+Q (4)

Sustituyendo la Ec. (4) en la Ec. (2) tenemos

Q-W+W_int= ∆K_(c.m.)+〖∆K〗_int (5)

Traemos W_int al otro lado de la ecuación e identificar 〖∆K〗_int- W_int como el cambio en la energía interna ∆U .

〖∆K〗_int- W_int= ∆U (6)

La ecuación (5) se convierte así en

∆U+∆K_(c.m.)= Q-W (7)

La ecuación (7) es incompatible con la declaración de libros de texto común de la primera ley,

∆U=Q-W (8)

A menos que la U de eq. (8) incluye K_(c.m.). Hemos demostrado anteriormente que el significado ampliamente aceptado de U en textos de introducción es que no incluye K_(c.m.) Llegamos a la conclusión de que la primera ley declarada en estos textos es incorrecta, o al menos incompatibles con su definición de la energía interna U.

III. ILUSTRACIONES DE LA INCOMPATIBILIDAD

Ofrecemos varios ejemplos de la falta de coherencia que hemos señalado. Los dos primeros ejemplos se han extraído de dos de los textos mencionados anteriormente.

Ejemplo 1. Halliday y Resnick consulta, "Una bola de hierro se deja caer sobre un piso de concreto desde una altura de 10 m. En el primer rebote se eleva a una altura de 0,50 m. Se supone que toda la energía mecánica macroscópica perdida en la colisión con el suelo entra en la pelota. El calor específico del hierro es 0,12 cal / g ° C. Durante la colisión (a) se ha añadido calor a la pelota? (b) se ha realizado un trabajo

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