Primera Ley de la Termodinámica

Primera Ley de la Termodinámica

A manera de Introducción se presentan aquí algunos conceptos y definiciones generales, puestas en el contexto de interés para el curso que se inicia. Luego se presenta la 1ª Ley en su forma más simple y se definen algunos conceptos útiles para aplicaciones simples y directas de la 1ª Ley.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES GENERALES

¿Qué es la termodinámica?: Es la parte de la ciencia que estudia la energía, sus diferentes manifestaciones, transformaciones y las propiedades de las sustancias asociadas a ella.

¿Por qué estudiar termodinámica?: Porque como ingenieros nos interesa el óptimo aprovechamiento de la energía para fines que sirvan a la humanidad (electricidad, calefacción, combustión, refrigeración) y para optimizar el uso de la energía debemos conocer las leyes que rigen su transformación.

¿En qué se fundamenta la termodinámica?: La base fundamental de la termodinámica es la observación experimental, la que ha sido "resumida" en algunas leyes básicas conocidas como:

Leyes de la Termodinámica: la ley cero, la 1º, la 2º y la 3º ley.

¿Cuándo y dónde se aplican las leyes de la termodinámica?: Las leyes se pueden aplicar a toda situación o proceso en que hay transformaciones de una forma de energía a otra. La aplicación de dichas leyes permite cuantificar dichas transformaciones para el óptimo uso de las diferentes formas de la energía.

¿Qué es energía?: Es la manifestación "última" de las interacciones entre moléculas, electrones y otros elementos subatómicos; de sus transformaciones, cambios, degradación, etc.

¿Cuántas formas de energía existen?: Muchas: Energía asociada a la estructura del átomo y de las moléculas, energía química (combustible), energía eléctrica (condensador), energía de movimiento (cinética), energía de posición" (potencial). Además de otras formas de "energía de transferencia" como son el Calor y Trabajo, dos conceptos de importancia en ingeniería.

¿Qué es Calor y qué es Trabajo?: Calor y trabajo son dos formas de energía de transferencia; esto es que existen solamente cuando se está transfiriendo energía. Así, un cuerpo no puede tener calor ni puede tener trabajo. El calor es la forma de energía por la que un cuerpo transfiere energía con otro cuerpo, transferencia causada solo por diferencia de temperatura entre dichos cuerpos. El trabajo es la forma de energía por la que un sistema transfiere energía a otro cuerpo por la acción de una fuerza.

Calor y Trabajo: En la introducción se explicó que calor y el trabajo son formas de energía que sólo existen cuando ocurre transferencia de energía. Además se resaltó que calor es la forma de energía por la que un cuerpo transfiere energía con otro cuerpo, transferencia causada solo por diferencia de temperatura entre dichos cuerpos y trabajo es la forma de energía por la que un sistema transfiere energía a otro cuerpo por la acción de una fuerza. Agreguemos algunos conceptos de interés y aplicación en ingeniería. En el pasado (siglo XIX) se creía que el calor era una propiedad de los cuerpos capaz de pasar de uno a otro como un fluido, al cual por entonces se denominaba “calórico”. Aunque esta teoría está obsoleta desde hace mucho tiempo, aun se sigue hablando de "calor", a pesar de que en realidad se trata de mera transferencia de energía: Si se transporta energía de una sustancia u objeto a otro por medio de una diferencia de temperatura entre ellos, este transporte será referido como flujo de calor. La cantidad de energía es el calor.

Del calor existe una sola forma aunque hay varios mecanismos por las que se transfiere (conducción, convección y radiación). Del trabajo existen muchas formas, dependiendo de la forma en que actúa la fuerza (de empujar, PV, eléctrico, de tensión superficial, elástico, químico, magnético).

Ejemplos de transferencia de calor

i) cuando una tetera con agua se pone en la llama de la cocina, en la llama se está transformando la energía química del combustible, energía que toman los humos quemados. Esta energía es transferida en forma de calor a la base metálica de la tetera, la que por conducción la transfiere al agua. El agua recibe el calor y lo transforma en energía interna.

ii) Cuando colocamos un clavo metálico en una llama, la llama le transfiere la energía al clavo, al que la conduce hasta nuestra mano y percibimos dicha energía... nos quemamos.

iii) cuando hacemos funcionar el calefón de la casa, el gas le transfiere energía a los tubos de cobre el que por conducción la transfiere al agua que fluye y el agua la trasforma en energía interna y nos llega a la ducha agua más caliente. La energía que nos llega en el agua fue transportada desde el boiler principalmente por convección.

Ejemplos de transferencia de trabajo

i) cuando colocamos una rueda cualquiera en un chorro de agua que cae en forma natural desde una altura, el chorro le transfiere la energía cinética a la rueda, y esta gira produciendo una cierta cantidad de trabajo.

ii) en un ventilador, la energía eléctrica que se le entrega (cuando enchufamos el ventilador a la red eléctrica, se transforma en trabajo de movimiento de las aspas del ventilador, trabajo que se gasta en desplazar el aire hacia el ambiente que le rodea produciendo movimiento del aire.

iii) cuando revolvemos una taza de café con una cuchara estamos entregando energía

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