Leyes DeTermodinamica

INTRODUCCION

La primera le de la termodinámica, conocida también como el principio de la conservación de la energía, brinda una base sólida para estudiar las relaciones entre las diversas formas de interacción de energía. A partir de observaciones experimentales, la primera ley de la termodinámica establece que la energía no se puede crear ni destruir en un proceso; solo puede cambiar de forma. Por lo tanto, cada cantidad de energía por pequeña que sea debe justificarse durante un proceso.

Sistemas abiertos: son los sistemas que presentan relaciones de intercambio con el ambiente, a través de entradas y salidas. Los sistemas abiertos intercambian materia y energía regularmente con el medio ambiente. Son eminentemente adaptativos, esto es, para sobrevivir deben reajustarse constantemente a las condiciones del medio.

Sistemas cerrados:Son los sistemas que no presentan intercambio con el medio ambiente que los rodea,pues son herméticos a cualquier influencia ambiental. Así, los sistemas cerrados noreciben ninguna influencia del ambiente, y por otro lado tampoco influencian al ambiente.No reciben ningún recurso externo

Primera Ley de la Termodinámica

Si se tiene un sistema que cambie de un estado inicial de equilibrio i, a un estado final de equilibrio f, en un forma determinada, Q será el calor absorbido por el sistema y W será el trabajo hecho por el sistema; después se calcula el valor de Q + W. Ahora, suponiendo que cambia el sistema manteniendo el mismo estado i para llegar hasta el estado final f, pero en esta ocasión siguiendo un camino diferente. Así, se repite el procedimiento una y otra vez usando diferentes caminos en cada caso, sólo para observar que, que en todos los caminos posibles, Q + W mantiene su valor numérico siempre igual.

La explicación para lo anterior es la siguiente: la magnitud de Q y W, por separado, depende del camino que se siga; sin embargo, la diferencia Q + W sólo depende de los estados inicial y final, es decir, no importa que camino se tome, esta diferencia no cambiará si no cambian los estados inicial y final del sistema.

Se concluye que hay una función de las coordenadas termodinámicas (PVT) cuyo valor final menos su valor inicial es igual al cambio Q + W en el proceso

La energía interna es una función de estado, pues puede expresarse mediante una ecuación o mediante una gráfica, pero siempre va a tener un valor en cualquier punto pues cambia en una forma predecible.

Como sucede con la energía potencial, también para que la energía interna, lo que importa es su cambio. Esta ecuación se conoce como la primera ley de la termodinámica, al aplicarla es importante recordar que Q se considera positiva cuando el calor entra al sistema y que W será positivo cuando el trabajo lo hace el sistema.

De este modo, la primera ley de la termodinámica, se convierte entonces en otra forma de expresar la ley de la conservación de la energía para los sistemas termodinámicos. La energía total de un sistema de partículas (U), cambia en una cantidad exactamente igual a la cantidad que se le agrega al sistema, menos la cantidad que se le quita.

Si el estado del sistema en estudio sólo sufre un cambio infinitesimal, se absorbe nada más una cantidad infinitesimal de calor y se hace solo una cantidad infinitesimal de trabajo, de tal manera que el cambio de energía interna también es también infinitesimal, lo que permite escribir la primera ley en de forma diferencial:

dU = dQ – dW.

Aplicaciones de la primera Ley en sistemas cerrados

Si el un sistema es cerrado (no hay tiene intercambio de energía con el resto del universo, los alrededores) cualquier pequeño cambio de energía interna, dU, del sistema es debido al balance de la transferencia de calor, dQ, y el trabajo realizado, dW, por o sobre el sistema. Esta sentencia no describe sino la conservación de la energía. Hay un convenio, artificial y confuso, para poner signo a las variaciones de energía. Naturalmente nadie discute que dU>0 si el sistema aumenta su energía en un proceso termodinámico y naturalmente el resto del universo pierde la misma cantidad de energía. Pero el trabajo, W, y el calor, Q, es un intercambio de energía que gana (o pierde) una de las partes, sistema o resto del universo, y por lo tanto pierde (o gana) la otra. ¿Qué signo ponemos a Q y W? Siempre estamos interesados en las propiedades del sistema y normalmente lo miramos todo desde el punto de vista del sistema así que, si no hay trabajo, escribimos dU=dQ indicando que cuando dQ>0 el sistema recibe energía (térmica) y debe aumentar por tanto su energía interna y cuando dQ<0 el sistema cede energía (térmica) y debe disminuir su energía interna. Esto es muy razonable y “debería” hacerse lo mismo con el trabajo: en un proceso puramente mecánico (dQ=0) deberíamos escribir dU=dW. Pero se hace justo lo contrario (salvo en el mundo de los físicos): dU=-dW y se añade una coletilla para compensar el signo – (es decir para que tenga sentido la igualdad) dW es + si el sistema hace trabajo (pierde energía para hacerlo y así dU<0) y es - si se hace trabajo sobre el sistema (gana energía y así dU>0).

Con este criterio la primera Ley de la termodinámica se escribe:

dU = dQ – dW,

y es la forma que seguiremos durante el curso. Fíjese que la energía total E del sistema puede adquirir también energía cinética y energía potencial. El cambio de energía total se puede escribir:

dE = dQ – dW donde dE = dU + dEc + dEp .

En muchas circunstancias la energía cinética cambia a costa de la potencial gravitatoria por lo que se cancelan y el cambio de energía total se reduce al de la energía interna. Cuando un sistema ha seguido un proceso finito termodinámico (hasta el momento sólo hemos considerado un proceso entre dos estados muy próximos y por eso los cambios han sido infinitesimales) a través de sucesivos estados de equilibrio, el calor total Q y el trabajo total W es la suma de los pequeños calores dQ y dW sufridos por el sistema a lo largo del proceso:

Q= ∫dQ y W=∫dW

(¡NO son integrales de Q y W, son sumas de pequeñas contribuciones dQ y dW!)

Y la primera Ley para el proceso completo se escribe (ignorando los posibles cambios de energía cinética y potencial):

∆U = Q – W.

si el proceso acaba dejando el sistema en el mismo estado que en el que estaba inicialmente la energía interna tendrá que volver a ser la misma,

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