Introducción a la 1ª Ley de la Termodinámica

Relevancia del Tema

La Termodinámica, ciencia que estudia las transformaciones de energía, es el fundamento para nuestra comprensión de los fenómenos que ocurren a nuestro alrededor. Está insertada en el corazón de la Física y es la base para disciplinas más avanzadas, como la Mecánica Cuántica y la Física de Partículas. La 1ª Ley de la Termodinámica, también conocida como el Principio de Conservación de la Energía para sistemas termodinámicos, es uno de los pilares de la Termodinámica. Nos permite hacer importantes predicciones sobre cómo se comporta la energía, ya sea en procesos mecánicos, químicos o nucleares. Esta ley, a su vez, está intrínsecamente ligada a otros principios de conservación en la Física, como la conservación de la carga eléctrica y de la cantidad de movimiento.

Contextualización

La 1ª Ley de la Termodinámica es un tema central en la disciplina de Física, pues se relaciona directamente con el estudio de los sistemas físicos, su energía y los procesos que transforman esa energía. Este principio, en conjunto con la 2ª y la 3ª leyes de la Termodinámica, forma la base para la comprensión de fenómenos como el equilibrio térmico, la transferencia de calor y el trabajo mecánico. Dentro del currículo de Física para la enseñanza media, la 1ª Ley de la Termodinámica generalmente se enseña después del tema de trabajo y energía, pues se aplica directamente al estudio de estos conceptos. Proporciona un marco teórico para entender cómo y por qué la ley del trabajo y de la energía es válida en todos los sistemas físicos, no solo en sistemas mecánicos. Por lo tanto, estudiar la 1ª Ley de la Termodinámica es un paso fundamental en el camino de comprensión de la Física como un todo.

Desarrollo Teórico

• Componentes Teóricos

  • Sistemas Termodinámicos: Un sistema termodinámico es una región del espacio que estamos estudiando. Puede ser tan pequeño como un grano de polvo o tan grande como el universo entero. Es importante comprender las características del sistema que estamos analizando, cómo interactúa con el ambiente y qué constituye su límite (frontera).

  • Trabajo: En Física, el trabajo no es solo el "esfuerzo" que realizamos. Trabajo, o energía del trabajo, es una medida de la energía transferida por la aplicación de una fuerza a lo largo de un desplazamiento. El trabajo puede ser positivo (fuera del sistema) o negativo (dentro del sistema), dependiendo de la dirección de la fuerza y del desplazamiento.

  • Calor: El calor es la forma de energía que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura. Cuando un cuerpo recibe calor, su energía interna aumenta. Sin embargo, el calor no es una propiedad del sistema, sino la energía en tránsito entre sistema y ambiente.

  • Energía Interna: La energía interna de un sistema es la suma de la energía cinética de sus partículas (moléculas, átomos, etc.) y de la energía potencial asociada con las fuerzas entre esas partículas. Es una forma de energía "oculta", que no está asociada a ningún movimiento macroscópico del sistema como un todo.

• Términos Clave

  • 1ª Ley de la Termodinámica: También llamada Ley de Conservación de la Energía, afirma que la energía total de un sistema termodinámico aislado permanece constante. La energía puede ser transferida entre el sistema y el medio externo en forma de calor o trabajo, pero no puede ser creada ni destruida.

  • Trabajo Alóctono: Es la energía transferida de o hacia el sistema debido a la fuerza que actúa sobre el sistema durante un desplazamiento. Por ejemplo, el trabajo realizado por un resorte que está siendo comprimido.

  • Calor Alóctono: Es la energía transferida de o hacia el sistema debido a una diferencia de temperatura entre el sistema y el medio ambiente. Por ejemplo, cuando colocamos una taza de té caliente en contacto con el aire más frío, el calor se transfiere del té al aire.

• Ejemplos y Casos

  • Transformaciones Adiabáticas: Una transformación adiabática ocurre en un sistema que está aislado térmicamente, es decir, no hay transferencia de calor entre el sistema y el ambiente. La energía suministrada o retirada del sistema, por lo tanto, ocurre solo en forma de trabajo. Podemos observar este proceso en un gas contenido en un cilindro con un émbolo que es rápidamente comprimido o expandido.

  • Proceso Isobárico: Este es un proceso en el que la presión en el sistema se mantiene constante. La 1ª Ley de la Termodinámica nos dice que, para un volumen inicial y final fijos, el cambio en la energía interna del sistema es igual al trabajo realizado en el sistema menos el calor transferido al sistema.

  • Proceso Isocórico: También conocido como proceso isovolumétrico, es aquel donde el volumen del sistema se mantiene constante. En este caso, todo el calor transferido al sistema se transforma en aumento de energía interna, ya que el volumen del sistema no permite la realización de trabajo.

Resumen Detallado

Puntos Relevantes

• Concepto de Sistema Termodinámico: Comprendemos que un sistema termodinámico es una región del espacio que estudiamos, pudiendo variar de tamaño e incluir partes del universo.

• Entendimiento Correcto del Trabajo: En la termodinámica, el trabajo no se relaciona solo al esfuerzo, sino también se refiere a la cantidad de energía transferida debido a la aplicación de fuerza en un sistema.

• Transferencia de Calor: Destacamos que el calor es una energía en tránsito entre un sistema y su ambiente que ocurre debido a una diferencia de temperatura, resultando en un aumento en la energía interna del sistema.

• Definición de Energía Interna: Enfatizamos que la energía interna es una suma de las energías cinética y potencial de las partículas del sistema. Esta energía es influenciada por las fuerzas entre las partículas.

• 1ª Ley de la Termodinámica: Recordamos que esta ley, también llamada Ley de Conservación de la Energía, afirma que la energía total de un sistema aislado permanece constante; puede ser transferida en forma de calor o trabajo, pero no creada ni destruida.

• Trabajo y Calor Alóctono: Hacemos la distinción entre trabajo y calor. El trabajo alóctono es la energía debida a la fuerza que actúa sobre el sistema, mientras que el calor alóctono es la energía debida a la diferencia de temperatura entre el sistema y el ambiente.

Conclusiones

• Interdependencia entre Energía y Trabajo: Comprendemos la interdependencia entre energía y trabajo, que son dos caras de la misma moneda en la Termodinámica. La alteración en la energía interna de un sistema puede ser atribuida tanto al trabajo como al calor.

• Importancia de la 1ª Ley de la Termodinámica: La 1ª Ley es fundamental para el entendimiento de una gama de procesos físicos, químicos y biológicos. Logramos entender, por medio de esta ley, por qué el progreso de una reacción química depende solo de los estados inicial y final y no del camino seguido.

Ejercicios

1. Ejercicio 1: En una transformación adiabática de un gas ideal, la presión se reduce a la mitad y el volumen se duplica. Calcule la relación entre la energía final y la energía inicial del gas.

2. Ejercicio 2: Un gas sufre una transformación isobárica. La presión del gas se mantiene constante en 2,5 atm. Durante el proceso, un calor de 800 J es transferido al gas y un trabajo de 500 J es realizado por el gas. Determine el cambio de energía interna del gas.

3. Ejercicio 3: Un gas sufre una transformación isocórica, durante la cual su energía interna aumenta en 600 J. ¿Cuál es el trabajo realizado por el gas en esta transformación?